автореферат диссертации по металлургии, 05.16.09, диссертация на тему:Распад неравновесных твердых растворов и механические свойства титановых заготовок для лопаток паровых турбин

На правах рукописи

005538825

и/ ^

МИРОНОВА ЕКАТЕРИНА ВИКТОРОВНА

РАСПАД НЕРАВНОВЕСНЫХ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТИТАНОВЫХ ЗАГОТОВОК ДЛЯ ЛОПАТОК ПАРОВЫХ ТУРБИН

Специальность: 05.16.09 - материаловедение (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

21 НОЯ 2013

Санкт-Петербург - 2013

005538825

Работа выполнена на кафедре «Машиноведение и основы конструирования» в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный поли-

Скотникова Маргарита Александровна

доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Машиноведение и основы конструирования», ФГБОУ ВПО «СПбГПУ», г. Санкт-Петербург

Пряхин Евгений Иванович

доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Материаловедение и технологии художественных изделий», ФГБОУ ВПО Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», г. Санкт-Петербург

Трофимов Валерий Васильевич

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник кафедры «Транспортные и технологические системы» ФГБОУ ВПО «СПбГПУ», г. Санкт-Петербург

ФГБУН «Институт проблем машиноведения» Российской академии наук, г. Санкт-Петербург

Защита состоится "17" декабря 20113 г. в 16 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.229.19 в ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу: 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., д. 29, лабораторно-аудиторный корпус, кафедра «Машины и технология обработки металлов давлением». Факс: +7(812) 552-64-29 e-mail: elmic@yandex.ru

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

Автореферат разослан "15" ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

техническим университет». Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Кункин Сергей Николаевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Для увеличения мощности паровых турбин, необходимо увеличение длины рабочих лопаток цилиндра низкого давления, а значит, увеличение их габаритов и веса. В процессе горячей деформации и теплосмен, по сечению заготовок лопаток возникает повышенная склонность материала к структурно-химической неоднородности, которая приводит к разбросу результатов механических испытаний и к снижению их уровня, особенно вязко-пластических. Поэтому возрастают требования, предъявляемые к лопаточному материалу.

Практика показала, что наиболее перспективными материалами являются титановые сплавы, которые по сравнению со сталями, обладают в 2-2,5 раза более высокими значениями удельной прочности, коррозионно-эрозионной и усталостной стойкости. Применение титановых сплавов сделало возможным создать рабочую лопатку длиной 1400 мм, но для этого было необходимо совершенствовать технологию её изготовления.

Технология изготовления титановых заготовок (особенно больших толщин) основана на использовании горячей деформации и последующей термической обработки. Уже в процессе пластической деформации и на стадии последующей термообработки, имеет место распад неравновесных твердых растворов, вызывающий снижение вязко-пластических свойств титановых сплавов.

В связи с вышесказанным, работа по исследованию распада неравновесных твердых растворов и механических свойств титановых заготовок для лопаток паровых турбин, а также разработка путей создания регламентированной структуры с заданным и стабильным комплексом свойств, является, безусловно, актуальной.

Цель работы и задачи исследования. Цель настоящей работы заключалась в изучении закономерностей структурных и фазовых превращений, сопровождающихся релаксационным перераспределением избыточных легирующих элементов в объеме крупногабаритных титановых заготовок для лопаток паровых турбин при определенных высоких температурах, и в разработке путей создания регламентированной структуры металла лопаток с заданным и стабильным комплексом свойств. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Разработать крнсталлогеометрическую модель высокотемпературного вакан-сионно - пересыщенного состояния ОЦК - твердого раствора, формирующегося при нагреве в результате полиморфного превращения из плотноупакованной ГПУ- модификации. Установить причины трудности измельчения зерен при нагреве полиморфного титана и его сплавов путем фазовой перекристаллизации;

2. Построить зависимости между абсолютными температурами нагрева (Т) под закалку и результатами количественной оценки содержания высокотемпературной (3- фазы, далее определить температуры приведенные к одинаковому содержанию высокотемпературной Р- фазы (Тц) в материалах прутков из сплавов ВТ6 и ВТ20;

3. Разработать методику и компьютерную программу для электронно-микроскопической оценки типа и параметров кристаллической решётки дисперсных фаз титановых лопаточных материалов;

4. Изучить закономерности структурных и фазовых превращений в объёме титановых лопаток паровых турбин, сопровождающихся релаксационным перераспределением избыточных легирующих элементов.

5. Установить корреляционные зависимости структурно-химических параметров исследованных сплавов с комплексом механических свойств и разработать технологические рекомендации по выбору рационального режима окончательной штамповки материала лопаток паровых турбин из сплавов ВТ6 и ВТ20, с регламентированной глобулярно-пласпшнчатой структурой и с заданным и стабильным комплексом механических и служебных свойств.

Научная новизна.

1. Установлено, что во время полиморфного ар—>Рр- превращения, высокотемпературная ОЦК- фаза, образуясь по сдвиговому механизму и наследуя дефекты низкотемпературной (ГПУ)- модификации, оказывается вакансионно - пересыщенным (3- твердым раствором (Р„срсс.). Полное завершение полиморфного превращения и переход Рпсрсс пересыщенной вакансиями в равновесное состояние ([!псрсс—>|1р), протекает по диффузаошюму многостадийному механизму распада: на 1 стадии возникает микрорасслоение (образование двух зон - обогащенной и обедненной вакансиями); на 2 стадии внутри этих зон, соответственно, появляются когерентные с металлической матрицей предвыделения - вакансионные с со (ГПУ)- решеткой (хрупкое со - состояние) и - металлические с алмазоподобной решеткой (кристаллогео-метрически упрочненное состояние). Далее, на 3 стадии происходит перераспределение на вакантные места дислоцированных атомов, то есть "схлопывание" вакан-сионной и металлической подрешеток и формирование равновесного ОЦК - твердого раствора.

2. Установлено, что горячая деформация заготовок из сплавов ВТ20 и ВТ6 и воздушное охлаждение из температурно-временного интервала, соответствующего приведённой температуре Т65, приводит к распаду, находящихся в вакансионно -пересыщенном ОЦК- состоянии неравновесных рпсрсс> твердых растворов с максимальной скоростью, так как распаду предшествуют структурные превращениями по механизму полигонизации. На стадии микрорасслоения происходит равномерное внутризёренное перераспределение вакансий и избыточных легирующих элементов вдоль малоугловых дислокационных границ субзёрен, вызывая изменение их химического и фазового состава. Наблюдается повышение прочности материала за счет упрочнения дислокационными границами субзёрен и сохранение вязко - пластических свойств за счет относительно равномерного распределение легирующих элементов в структуре сплавов.

3. Установлено, что горячая деформация заготовок из сплавов ВТ20 и ВТ6 и ускоренное охлаждение из температурно-временных интервалов, соответствующих приведённым температурам Т50 и Т75, приводит к задержке распада, находящихся в вакансионно - пересыщенном ОЦК- состоянии неравновесных Рпсрс« твердых растворов, так как распаду предшествуют структурные превращениями по механизму непрерывной рекристаллизации. Избыточные вакансии и легирующие элементы распадающихся фаз (по механизму восходящей диффузии) интенсивно перераспределялись на границы раздела рекристаллизованных зёрен или в пределы фаз,

не подвергнутых рекристаллизации, приводя к возрастанию их концентрационной неоднородности и к появлению крупных частиц (концентраторов) остаточной Р- фазы. При этом отмечали снижение прочностных и вязко-пластических характеристик.

4. В результате проведенных исследований получены новые технические решения, подтвержденные патентом РФ № 2013610022 от 09.01.2013.

Личный вклад автора заключался в том, что: предложен алгоритм компьютерной программы для электронно-микроскопической оценки типа и параметров кристаллической решётки дисперсных фаз титановых лопаточных материалов; проведены исследования и установлены закономерности структурно-фазовых превращений, сопровождающихся перераспределением избыточных легирующих элементов в объеме титановых заготовок; получены экспериментальные результаты по оценке кратковременных механических и эксплуатационных свойств исследованных сплавов; даны рекомендации по разработке технологического процесса при штамповке заготовок из сплава ВТ20, позволяющего получить изделие с заданным и стабильным комплексом свойств и с регламентированной структурой металла.

Практическая значимость работы заключается в том, что:

• Проведенные исследования позволили предложить рациональные режимы термомеханической обработки материала титановых лопаток паровых турбин, путем создания регламентированной структуры с заданными и стабильными механическими свойствами на основании комплексных исследований температурно-временных особенностей формирования и распада неравновесных твердых растворов, имеющей важное народно-хозяйственное значение.

• Результаты работы были использованы на предприятиях ОАО "ЛМЗ", ООО "Орис - ММ", ОАО «Красный октябрь».

• Результаты работы нашли отражение в разработке методических указаний и учебного пособия в рамках проводимых лабораторных работ по дисциплине «Физика технологических процессов в машиностроении».

• Экономический эффект от внедрения результатов работы составил 350 тыс. руб.

Основные положения, выносимые на защиту:

• Разработка кристаллогеометрической модели высокотемпературного вакансионно - пересыщенного состояния ОЦК - твёрдого раствора, формирующегося в результате полиморфного превращения при нагреве титановых сплавов.

• Закономерности структурных и фазовых превращений в объёме титановых лопаток паровых турбин, после различных технологических режимов их изготовления;

• Закономерности распределения избыточных легирующих элементов отдельно в а- и Р- фазах после различных технологических режимов изготовления лопаток;

• Проведение механических испытаний. Установление корреляций между структурно-химическими параметрами и комплексом механических и служебных свойств исследованных сплавов.

Достоверность результатов обеспечивается использованием фундаментальных положений физики твёрдого тела, большим объемом экспериментов, выполненных с привлечением современных методов исследования (стандартных и специально разработанных).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и результаты исследований докладывались и обсуждались на 7 научно-технических конференциях и семинарах, в том числе на: XVII Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов», СГТУ, Самара, 2009; XIX «Петербургских чтениях по проблемам прочности», Санкт-Петербург, 2010; IX Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», Санкт-Петербург, 2010; The 12th World Conference on Titanium, Beijing, China, 2011; The World Conference Friction, Wear and Wear Protection, Aachen, German, 2011; XLI Неделя науки СПбГПУ, 2012; 3-я Международная научно-практическая конференция «Современное машиностроение. Наука и образование», Санкт-Петербург, 2013; на научно-технических семинарах кафедры "Машиноведение и основы конструирования" СПбГПУ 2009-2013 г.г.

Публикации. Основное содержание работы отражено в 14 печатных работах, в том числе в 1 патенте. 4 работы опубликованы в рецензируемом научном журнале, рекомендованном ВАК. Библиографический список основных работ приведён в конце автореферата.

Диссертационная работа была выполнена автором в рамках целевой программы "Развитие научного потенциала высшей школы" на тему «Повышение каплеударной эрозионной стойкости титановых лопаток паровых турбин атомных электростанций, как результат понимания и контроля структурно-фазовых превращений протекающих в материале зоны динамического контактного взаимодействия» № 2.1.2/1147 (2009-2011 гг.) (н.р. проф. М.А. Скотникова).

За выступление с докладом на XLI Неделе науки в СПбГПУ, 2012 г., автор награждена дипломом 1 степени за высокие достижения в научно-исследовательской работе.

Структура и объем работы Работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы из 132 наименований и приложений, изложена на 205 страницах, включая: 34 - таблицы, 92 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель исследования, поставлены основные задачи. Показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов, даны сведения об апробации работы.

В первой главе приведён обзор теоретических и экспериментальных результатов работ, посвящённых исследованию особенностей каплеударной эрозии лопаток паровых турбин. Проведён анализ состояния вопроса, о закономерностях структурных и фазовых превращений, сопровождающихся перераспределением легирующих элементов в деформированных титановых заготовках.

Во второй главе сделано обоснование выбора материалов и методов исследования: оптической металлографии, просвечивающей и растровой электронной микроскопии, рентгеноструктурного, микрорентгеноспектрального анализа, испытания на микротвердость. Механические испытания были выполнены как при комнатной так и при высоких температурах. Материалом для исследования явились как готовые лопатки паровых турбин, так и их штампованные заготовки после различных режи-

мов термомеханической обработки из титановых сплавов ВТ20, ВТ6, ВТЗ-1 с пластинчатой и глобулярно - пластинчатой структурой.

На основании ранее разработанной обобщенной кинетической диаграммы структурных и фазовых превращений в деформированных титановых сплавах в широком температурно-временном интервале, рис. 1, была установлена связь структуры и свойств титановых сплавов в зависимости от температуры абсолютной (Т), и приведенной к одинаковому содержанию высокотемпературной Р- фазы (Тр).

Установлено, что чем больше неравновесные (3(Р)- и а(а)- твердые растворы содержали одноименных им Р- и

2 5 12 5 10 2 5 10! 2 5

"р™я 4 а- легирующих элементов, тем они боРис. 1. Кинетическая диаграмма структурных и ..

, „ ил лее устоичивы, а их многостадийный

фазовых превращении в сплавах титана в зави- J

симости от температуры нагрева абсолютной (Т) Распад, происходил при более низких

и приведенной к одинаковому содержанию вы- температурах, и за большее время, сокотемпературной [5- фазы (Тр).

В третьей главе проведено теоретическое и экспериментальное исследование высокотемпературного распада вакансионно - пересыщенных ОЦК - твёрдых растворов при полиморфном а<->Р превращении лопаточных сплавов титана.

Как показывают расчеты, при температуре 882°С полиморфного ар—>РР- превращения в равновесном состоянии, концентрация вакансий в ГПУ- Ti на 8 порядков больше чем в ОЦК- Ti. Поэтому, в работе развивается представление о том, что во время ар—>РР- превращения, высокотемпературная ОЦК- фаза, образуясь по сдвиговому механизму и наследуя дефекты низкотемпературной а- модификации, оказывается вакансионно - пересыщенным и упорядоченным р- твердым раствором (Рпсрсс.)- Его пространственная кристаллическая решетка состоит из 8 элементарных ОЦК- ячеек с тетравакансиями рис.2,а. Полное завершение полиморфного превращения и переход рпСрес. в равновесное состояние (PIIcpcc^|ip), протекает по диффузионному многостадийному механизму распада: на 1 стадии возникает макрорасслоение (образование двух зон - обогащенной и обедненной вакансиями); на 2 стадии внутри этих зон, соответственно, появляются две, когерентные с металлической матрицей, кристаллические подрешетки предвыделений, вставленные одна в другую: металлическая, рис. 2.6, образующая решетку алмаза (кристаллогеометрически упрочненное состояние), с параметром а^ц = 2ар (равным удвоенному параметру ОЦК- решетки) и вакансионная, рис. 2.в, с гексагональной со- решеткой (хрупкое со -состояние), с параметрами a (0=V2 • ар, сы=7з/2 • ар.

кристаллических подрешеток вставленных одна в другую: металлической (б), образующей ре-

шетку алмаза и вакансионной (в) с со-решеткой

Далее на 3 стадии под действием внутренних напряжений происходит перераспределение на вакантные места дислоцированных атомов основы, то есть "схлопы-вание" (рекомбинация) металлической и вакансионной подрешеток и обособление равновесной рр - фазы. Если в высокотемпературной ОЦК - модификации титана, пересыщенной вакансиями (Р„срсс) присутствуют избыточные а- стабилизирующие легирующие элементы, то на 3 стадии произойдет релаксационное их перераспределение в вакансионную гексагональную подрешетку и в результате «схлопывання» сформируются и обособятся две высокотемпературные равновесные Р- и а- фазы (ар—>Рпсрсс.—>ос+Р). Завершением 3 стадии ар—>рпсрсс—>РР является формирование равновесного рр- твердого раствора в результате гомогенного распределения атомов и вакансий в уже обособленной ОЦК- решетке.

Вероятно, пересыщенный вакансиями ОЦК- твердый раствор будет иметь наибольший объем ("распухание") в конце 1 стадии, когда в нем, в результате микрорасслоения сформируются микрообъемы пересыщенные вакансиями, и наименьший объем в начале 3 стадии после «схлопывания» двух подрешеток под действием внутренних напряжений.

Экспериментальное подтверждение перехода титана и его сплавов в ваканси-онно - пересыщенное состояние вблизи точки полиморфного превращения, было выполнено с привлечением термического анализа, дилатометрии рис.3.а, микрокалориметрии рис.З.б, высокотемпературной металлографии, высокотемпературных механических испытаний рис.4. Действительно, как показали результаты, в титане и его сплавах, при нагреве и переходе через точку начала полиморфного превращения, возникает аномальное пересыщение вакансиями их ОЦК - модификации.

Фаза- Рпсрсс., зародившись из а- фазы по сдвиговому механизму и оказавшись в условиях сильного вакансионного пересыщения, претерпевает "распухание", уменьшающее разность удельных объемов фаз (объемную дилатацию) в точке полиморфного превращения, рис.3, которая составляет только 0,17%. Нагрев такого

8

Рис.3. Дилатометрические (а) и микрокало- Рнс.4. Температурные зависимости относительно-риметрические (б) кривые исследованных го удлинения и предела прочности

титановых сплавов железа (а) и титана (б).

Рпфсс- твердого раствора не сопровождается фазовым наклепом, что объясняет трудность измельчения зерна титана и его сплавов при нагреве путем фазовой перекристаллизации.

Как видно из рнс.4, во время высокотемпературных механических испытаний чистых металлов железа и титана, с увеличением температуры нагрева, наблюдали их кристаллогеометрическое упрочнение (повышение прочности и снижение пластичности), когда они находились в вакансионно - пересыщеном ОЦК- состоянии вблизи точки полиморфного превращения.

В четвёртой главе представлены результаты исследования структурно-фазовых превращений и перераспределения легирующих элементов после нагрева и воздушного охлаждения из температурно-временной области распада вакансионно -пересыщенных ОЦК - твёрдых растворов в горячедеформированных сплавах титана ВТ20 и ВТ6 с пластинчатой структурой.

В работе выдвигается представление о том, что в процессе технологической обработки, аккумуляция внешней энергии системой атомов основы и легирующими элементами, вызывает их смещение из своих равновесных положений (узлов кристаллической решетки), что создает в объеме деформированного полуфабриката сложное упруго-напряженное поле на всех структурных уровнях. Образующиеся

при этом дислоцированные (смещенные) атомы и вакансии являются носителями избыточной энергии и способствуют повышению предела растворимости фаз.

Деформация в двухфазной области и последующее ускоренное охлаждение приводят к формированию сразу двух неравновесных а(Р)- и Р(а)- твердых растворов, пересыщенных вакансиями и разноименными им стабилизирующими легирующими элементами. Такие растворы, находясь в упруго-напряженном состоянии стремятся к распаду. При последующем нагреве, происходит выделение избыточной энергии и снятие внутренних напряжений. Для своей самоорганизации и перехода к относительному равновесию, система реализует два релаксационных механизма: структурный и концентрационный. Структурная релаксация проявляется в направленных атомно-кристаллических сдвигах дислоцированных (смещенных) атомов основного металла и реализуется в виде структурных превращений (отдыха, поли-гонизации, рекристаллизации). Концентрационная релаксация проявляется в атом-но-кристаллических сдвигах атомов другого сорта: вакансий, примесных и легирующих атомов и реализуется в виде фазовых превращений (изменения химического состава и типа кристаллической решётки).

В данной работе автор придерживается мнения, что наиболее точной температурной характеристикой, отражающей закономерности структурно-фазовых превращений и изменения свойств сплавов титана, является температура не абсолютная (Т), а приведенная к одинаковой объемной доле высокотемпературной р- фазы (Тр).

Поэтому методом отжига с последующей закалкой были выполнены количественные оценки содержания высокотемпературной р- фазы в зависимости от различных температур закалки в материалах прутков турбинной лопатки из сплавов ВТ20 и ВТ6. В исследованных сплавах содержание высокотемпературной Р- фазы экспоненциально возрастало с увеличением температуры нагрева. После приведения всех экспериментальных результатов к одинаковой доле высокотемпературной р- фазы, были установлены соответствующие приведённые температуры нагрева (Тр).

С помощью просвечивающей электронной микроскопии, микрорентгеноспек-трального анализа и механических испытаний, на примере сплавов ВТ20 и ВТ6 с пластинчатой структурой, рис.5, были установлены закономерности изменения структурно-фазовых превращений, перераспределения легирующих элементов и изменение механических свойств в зависимости от температуры нагрева, приведенной к одинаковому содержанию высокотемпературной р- фазы (Тр).

Оказалось, что при температурах Т1(), Т30, Т65 , распад неравновесных, соответственно, Р(а)-, а(Р)-, Рпсрсср- твердых растворов происходил с максимальной скоростью, так как фазовые превращения протекали одновременно со структурными превращениями по механизму полигонизации.

При температурах Т2о, Т50, Т75 распаду, соответственно, Р(а)-, а(Р)-, рпсрсф-твердых растворов предшествовали структурные превращения по механизму непрерывной рекристаллизации, вызывая округление и увеличение размера частиц.

Показано, что высокими технологическими свойствами титановые заготовки обладают после нагрева и воздушного охлаждения из температурно-временного интервала двухфазной (а+Р)- области (Т50, Т65, Т75) при температурах содержания высокотемпературной р- фазы 50, 65 и 75%, соответственно.

Ванадий

^ исходное __состояние

Тб5 № / \ I

95о°с) I; I 1С*5 Распад 1 . П Р Перес - |_*- I/ * V)

полиго ^Р^я, низация р Ивг.. •'/■ ««* ,йи11д

Распад к1

Р Перес - Н? V

фазы к

рекристал Р

лизация р Г . |

Рис.5. Электронно-микроскопические изображения и распределение основных легирующих элементов (АЬ, V) в сплавах ВТ20, ВТ6 с пластинчатой (а + Р)- структурой в исходном состоянии (а. а ) и после охлаждения от приведённых температур: ТЮ (полигонизация р- фазы) (б,б'); ТЗО (полигонизация а- фазы) (в,в ); Т50 (рекристаллизация а- фазы) (г,г); Тб5 (полигонизация р- Перес.) (л,д); Т75 (рекристаллизация р- перес.) (ж,ж'); Т100 (после охлаждения из р- области) (з,з').

1 I

сил. ВТ20

Алюминий

Нагрев и воздушное охлаждение заготовок из температурно-временного интервала, соответствующего приведённой температуре Т65, приводили к распаду, находящихся в вакансионно - пересыщенном ОЦК- состоянии рпсрсс - твердых растворов. Фазовые превращения протекали одновременно со структурными превращениями по механизму полигонизации, рис. 5 д, д'. На стадии микрорасслоения происходило равномерное внутризёренное перераспределение избыточных легирующих элементов вдоль дислокационных границ субзёрен, вызывая изменение их химического и фазового состава. Наблюдалось повышение прочности материала за счет упрочнения дислокационными границами и сохранение вязко - пластических свойств за счет относительно равномерного распределение легирующих элементов в структуре.

Нагрев и воздушное охлаждение заготовок из сплавов ВТ20 и ВТ6 из темпера-турно-временных интервалов, соответствующих приведённым температурам Т50 и Т75, приводили к задержке распада неравновесных а- и рПсрс« твердых растворов, так как распаду предшествовали структурные превращениями по механизму непрерывной рекристаллизации, соответственно, а- фазы, рис. 5 г,г и (Зпсрсс- фазы, рис.5, ж,ж'. Избыточные вакансии и легирующие элементы распадающихся фаз (по механизму восходящей диффузии) интенсивно перераспределялись на границы раздела рекристаллизованных зёрен или в пределы фаз, не подвергнутых рекристаллизации, приводя к возрастанию их концентрационной неоднородности и к появлению крупных частиц (концентраторов) остаточной ¡3- фазы. При этом отмечали снижение прочностных и вязко-пластических характеристик.

Таким образом, в работе установлено, что нестабильность результатов механических испытаний, а также снижение вязко-пластических свойств в горячедеформи-рованных титановых заготовках, особенно больших толщин, обусловлены многообразием развивающихся в них структурных и фазовых превращений в соответствующих температурно-временных интервалах. Термодинамическим стимулом для формирования Пересыщенных твердых растворов являются внутренние напряжения, возникающие в объеме деформированных полуфабрикатах на всех структурных уровнях под влиянием термического и механического воздействия. В работе предложен научно-обоснованный принцип создания более совершенной технологии металлургического передела титановых сплавов на основе установленных закономерностей структурных и фазовых превращений. В качестве путей создания регламентированной структуры металла лопаток с заданным и стабильным комплексом свойств, предлагается выбор оптимального режима окончательной температуры нагрева и деформирования вблизи Т65.

В пятой главе представлены результаты исследования структурно-фазовых превращений и перераспределения легирующих элементов в материалах промышленных титановых лопаток из сплавов ВТ20 и ВТ6 с глобулярно - пластинчатой структурой после окончательной штамповки вблизи приведённых температур Т50, Т65 и Т75. Рассмотрен вопрос о возможности научно-обоснованного выбора температуры окончательной штамповки лопаток, как результат понимания структурно -фазовых превращений в деформированных титановых сплавах.

Известно, что ковка титановых прутковых полуфабрикатов в (3 - области не подходит для изготовления крупногабаритных лопаток, так как образующаяся при

этом пластинчатая структура, рис. 6 а, имеет низкую ударную вязкость (см. табл. 1) и большой разброс свойств. Всесторонняя ковка в двухфазной а + (3 - области, напротив, обеспечивает получение равноосной структуры, рис. 6 б, которая имеет несколько меньшую прочность, но большую пластичность и ударную вязкость.

Принципиально новым шагом в развитии производства крупногабаритных лопаток турбин из сплавов титана явилось создание, так называемой «бимодальной» то есть, глобулярно - пластинчатой структуры, рис. 6 в, с благоприятным сочетанием служебных свойств и их однородности по длине лопатки. Такая структура формировалась в результате р - закалки слитка, а также окончательной штамповки пруткового полуфабриката после всесторонней ковки в а+Р - области со степенью ' пластической деформации не менее 60%.

а б в

Рис.6. Микроструктура металла прутков (а, б) и лопатки (в) из сплава ВТ6, (а) - серийная технология ковки в [3- области, (б) - технология с всесторонней ковкой в а+|3- области, (в) - штамповка заготовки рабочей лопатки. х500 (а, в) хЗОО (б)

Как видно из табл. I, деформированный сплав ВТ6 с пластинчатой структурой имеет преимущество по прочностным (ств, ао.з) и уступает по пластическим свойствам (5, по сравнению со сплавом ВТ6 с глобулярной структурой. В глобулярной структуре велика работа зарождения трещины и относительно низка её работа распространения. Поэтому здесь оказываются низкими вязкость разрушения (К!С). Формирование пластинчатой структуры повышает работу распространения трещины по всей толщине изделия, и тем самым продлевается срок его эксплуатации. Бимодальная глобулярно - пластинчатая структура, обеспечивает торможение зарождения и распространения трещин, и является оптимальной.

Таблица 1. Механические свойства исследованных штамповок из сплава ВТ6.

Механические свойства Е, МПа ^0,2 МПа МПа 5 % % кси Д ж^Ьм2 Кю МПа- м|/2

Тип структуры

Пластинчатая 119000 850 1040 7 21 40 3550

Глобулярная 107000 830 1000 16 48 47 1800

Бимодальная 114000 908 974 15,5 47 48 2430

С помощью просвечивающей электронной микроскопии, микрорентгеноспек-трального анализа и механических испытаний, на примере материалов промышленных рабочих лопаток турбин из сплавов ВТ20 и ВТ6 с глобулярно-пластинчатой структурой, рис.7, рис.8, были установлены закономерности изменения структурно-

фазовых превращений, перераспределения легирующих элементов и изменение механических свойств в зависимости от температуры окончательной штамповки в а+|3- области вблизи приведенных температур Т5о, Т65 и Т75, при абсолютных температурах ~925°С, ~945°С и ~955°С, соответственно.

Как показали результаты, во всех случаях а - фаза имела как форму глобул (а/) размером 11-21 мкм, так и форму вытянутых пластин (а,/) шириной 1 - 3 мкм, разделенных прослойками /?//— фазы шириной 0,1-1 мкм. Расстояние между глобулами составляло в среднем 16-31 мкм, в которых доля пластинчатой (а„ +/3ц)- структуры (55 - 76%) преобладала над долей глобулярной а| - структуры (24 - 45%), рис. 7.

а б в

Рис.7. Микроструктура металла промышленных заготовок рабочих лопаток турбин из сплава ВТ6 с бимодальной структурой, полученных по трём технологическим схемам, после окончательной деформации штамповкой в а+Р- области вблизи приведенных температур Т50 (а), Тй5 (б), и Т75 (в), при абсолютных температурах ~925°С, ~945°С и ~955°С, соответственно, х 1000

В материалах лопаток из сплава ВТ6 изготовленных по всем 3 технологиям, пластины вторичной а,ц - фазы имели химических состав, который приблизительно соответствовал среднему составу сплава Т1-6АЬ-4У. В глобулах первичной СХ[ - фазы, по сравнению с пластинами а» — фазы, в среднем содержалось ванадия меньше на 2,2 % и алюминия больше на 1,3 % (вес).

Материал лопатки, изготовленный по второй технологии (Т65), по сравнению с первой (Т50), и третьей (Т75), обладал относительно более высокими прочностными свойствами, при сохранении вязко-пластических, рис. 9. Микроструктура второй лопатки обладала оптимальным сочетанием структурно-химических параметров: самыми широкими пластинами «твёрдой» фазы и прослойками «Мягкой» /Зц-фазы, обогащенными [5- стабилизаторами, в частности ванадием, 3,9 и 8,7 %, соответственно. В то же время в первичных глобулах <2/ - фазы содержалось повышенное количество а- стабилизаторов, в частности алюминия 7,1%.

Как видно из табл. 2, в материале лопаток изготовленных по второй технологии (Т65), по сравнению с первой и третьей, уровень микротвердости схц - фазы был наиболее высоким, что подтверждает её упрочнение за счёт дислокационных границ раздела, что вероятно, обеспечивает равнопрочность (близкую микротвердость) а, и (аи + (5ц)- фазовых составляющих материала под нагрузкой и может гарантировать высокую работоспособность материала третьей лопатки.

Как показали электронно-микроскопические исследования, в субструктуре металла лопаток, полученных по первой технологии (Т50), рис. 8 г, в стыках рекристал

с пл. ВТ6

1 fc /"в mm ШщШШ ЩГ, ■

.А

W- А-

•Л i

F\ „ Ю л

¿йШ : . % L im

Алюминий

исходное состояние

лизованных а- зёрен наблюдалось возрастание концентрационной неоднородности распределения легирующих элементов и появление крупных частиц (концентраторов) остаточной р- фазы, что приводит к снижению прочностных и вязко-пластических характеристик.

В субструктуре металла лопаток, полученных по второй технологии (Т65), рис. 8 д, по сравнению с третьей (Т75), рис. 8 ж, границы всех фазовых составляющих а(, а(Ь рц были значительно лучше отрелакси-рованы, за счет дислокационных подстроек. Было меньше и число изгибных экстинкционных контуров, обычно свидетельствующих о присутствии внутренних напряжений. В теле вторичной ап - фазы были обнаружены дислокационные границы субзёрен (полигоны), за счёт которых, вероятно, достигался наибольший уровень микротвердости осц -фазы и прочности материала.

Таким образом, материал лопаток с бимодальной структурой, изготовленный при рекомендованной температуре, соответствующей 65% - му содержанию высокотемпературной р- фазы (Т65), обладал высокими прочностными свойствами при заданном уровне вязко-пластических свойств, а так же регламентированной структурой: прослойками рм-фазы и глобулами первичной о.| - фазы, обогащенными одноименными Р - и а -стабилизирующими легирующими элементами, соответственно, что обеспечивало большую равнопрочность (близкую микротвердость) структурных составляющих.

Tso

(~950°С) Распад а -фазы

рскристал лизация а

Тб5

(~ 970"С) Распад Р псрсс -фазы поли го низация р

Т75

1010°С)

Распад [1 псрсс -фазы

рскристал лизация р

Тин + 100

1040°С) Гомогс низация рр - фазы

Рис.8. Электронно-микроскопические изображения и распределение основных легирующих элементов (AL, V) в сплаве, ВТ6 с глобулярно-пластинчатой (а+Р)- структурой в исходном состоянии (а) и после окончательной штамповки от приведённых температур: Т50 (рекристаллизация а- фазы) (г); Т65 (полигонизация Р-перес.) (д); Т75 (рекристаллизация р-перес.) (ж); Т100 (после деформация в р- области) (з). х24000

ri ко

s

а.

И 75

£ -45 it

£ 30

i25 H

s 20

с - - . 1

• * • % al - фазы -О- D(«2 +р2)- фа ja - а- • DP2- фаза * О ■ ов,х 1 ОМПа -♦-ст,х10МПа • 5.% -А -КСиЛж/см2

*

„ : , *

__ « *

"' i ----"

<¡1

Таблица 2. Размер частиц, содержание

легирующих элементов и микротвердость

фазовых составляющих металла лопаток

из сплава ВТ6, изготовленных

по трём технологиям

Фаза После После После

первой второй третьей

техноло- техноло- техноло-

гии (Т5о) гии, (Т65) гии, (Т75)

Размер частиц фаз, [мкм]

ai 16,1 10,9 21 ,4

ац 1,9 3,3 0,9

Рн 0,8 1,2 0,1

an + Pii 30,5 15,9 25,4

Концентрация легир.элем., [вес. %]

AL V AL V AL V

ai 7,30 1,35 7,06 1,80 6,97 2,04

ац 6,01 3,60 5,80 3,91 5,68 4,21

Pn 4.14 9,64 4,55 8,72 4,61 8,28

Микротвердость частиц фаз, [МПа]

ai 3550 +240 3607±195 3664 ±429

an 3830 ±241 4156±200 4091 +232

Pn 2584 расчет 2794 расчет 2900 расчет

an +pM 2999 ±248 3225+190 3120 +351

Приведенная температура »кончателыюн нпамновкн

Рис.9. Изменение структурно-механических свойств в зависимости от технологии изготовления

Известно, что при циклических нагрузках твердые пластины вторичной ац -фазы оконтуровыванные относительно мягкими прослойками [}ц - фазы и равнопрочные глобулы а/ - фазы, затрудняют преждевременную локализацию пластической деформации и зарождение трещины в отдельных фазах. А на стадии распространения, трещине труднее увеличивать свою длину в (ац + Ри) - пластинчатой структуре, так как она все время тормозится мягкими прослойками Д/ - фазы и вынуждена изменять свою траекторию, огибая глобулярные частицы аг/ - фазы. При этом эксплуатационные свойства материала изделия повышаются.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана кристаллогеометрическая модель высокотемпературных вакан-сионно - пересыщенных состояний ОЦК - твёрдых растворов, формирующихся в результате полиморфного а <->р превращения сплавов титана.

Установлена причина затруднённости измельчения зерен при нагреве полиморфного титана и его сплавов путем фазовой перекристаллизации. Причина заключается в температурно-временном вакансионном пересыщении и "распухании" высокотемпературной (3— фазы, позволяющих при нагреве сохранить сокращающийся в точке полиморфного превращения удельный объем элементарной ОЦК-ячейки, который снижается только на 0,17%.

2. Построены экспоненциальные зависимости между абсолютными температурами нагрева под закалку и результатами количественной оценки содержания высо-

котемпературной ß- фазы, далее, в прутковых материалах лопаток из сплавов ВТ6 и ВТ20 определены температуры приведенные к одинаковому содержанию высокотемпературной ß - фазы (Тр). Приведенные температуры нагрева (Тр), наряду с абсолютными (Т) позволили выбрать температуру окончательной штамповки лопаток, как результат понимания структурно - фазовых превращений в деформированных титановых сплавах.

3. Разработана методика и компьютерная программа для электронно-микроскопической оценки типа и параметров кристаллической решётки дисперсных фаз титановых лопаточных материалов. Получено свидетельство государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013610022 от 09.01.2013.

4. Изучены закономерности структурных и фазовых превращений в объёме деформированных полуфабрикатов из сплавов ВТ6 и ВТ20 с пластинчатой структурой, сопровождающиеся релаксационным перераспределением избыточных легирующих элементов после нагрева и последующего воздушного охлаждения в широком интервале приведённых температур (Тр).

5. Установлены корреляционные зависимости структурно-химических параметров исследованных сплавов с комплексом механических и служебных свойств, на базе которых разработаны технологические рекомендации по выбору рационального режима окончательной штамповки материала лопаток паровых турбин из сплавов ВТ6 и ВТ20, с регламентированной глобулярно-пластинчатой структурой и с заданным и стабильным комплексом механических свойств. Материал лопаток, изготовленный при рекомендованной приведённой температуре (Т65), соответствующей 65% -му содержанию высокотемпературной ß— фазы, обладает относительно более высокими прочностными свойствами при сохранении высоких вязко - пластических свойств. Разработанная технология в условиях завода ОАО «Красный Октябрь» позволила получить экономический эффект 350 тыс. руб., что подтверждено актом.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ:

1. Скотиикова, М.А. Высокотемпературный распад твёрдых растворов при полиморфном a<->ß превращении деформированных сплавов титана / М.А. Скотникова, Е.В. Миронова, H.A. Крылов, A.B. Соколов // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Серия Наука и образование. - 2013. - №1. - С. 41-52. (Журнал из перечня изданий, рекомендованных ВАК).

2. Скотникова, М.А. Влняние микродобавок бора на анизотропию механических свойств плоских заготовок из титановых сплавов / М.А. Скотникова, М.М. Радкевич, Е.В. Миронова, A.B. Соколов // Журнал «МИТОМ» - М. - 2013. - № 10 (100). - С. 29-38. (Журнал из перечня изданий, рекомендованных ВАК).

3. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013610022 РФ. Микродифракнионный фазовый анализ кристаллических веществ / Снетков В.В., Скотникова М.А., Миронова Е.В. - №2012619476; заявл. 06.11.2012; зарег. 09.01.2013 (Журнал из перечня изданий, рекомендованных ВАК).

4.Мнронова, Е.В. Выбор оптимального режима термообработки титанового сплава ВТ20 с применением количественной металлографии и анализа химического со-

17

става фаз / Е.В. Миронова // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Серия Наука и образование. - 2013. - №4. - С. 41-45. (Журнал из перечня изданий, рекомендованных ВАК).

5. Скотникова, М.А. Выбор оптимального режима термообработки титановых сплавов типа ВТ20 с применением количественной металлографии и анализа химического состава фаз / М.А. Скотникова, В.М. Алексеев, Е.В. Миронова // «Физика прочности и пластичности материалов»: Сб. трудов XVII Международная конференция. - Самара: СГТУ, 2009. - С. 85-86.

6. Скотникова, М.А. Напряжённо-деформированное состояние и микрогеометрия поверхности сплава АМц после нанесения регулярного микрорельефа. / М.А. Скотникова, Г.В. Цветкова, С.В. Цветков, Е.В. Миронова // «Физика прочности и пластичности материалов»: Сб. трудов XVII Международная конференция. - Самара: СГТУ, 2009. - С. 87-88.

7. Скотникова, М.А. Выбор оптимального режима термообработки титановых сплавов с применением количественной металлографии и анализа химического состава фаз / М.А. Скотникова, В.М. Алексеев, Е.В. Миронова // Сб. трудов «Петербургские чтения по проблемам прочности». Санкт- Петербург. - 2010,- С. 159-162.

8. Скотникова, М.А. Напряжённо-деформированное состояние и микрогеометрия поверхности деталей после нанесения регулярного микрорельефа. / М.А. Скотникова, Г.В. Цветкова, С.В. Цветков, Е.В. Миронова // Сб. трудов «Петербургские чтения по проблемам прочности». Санкт- Петербург. - 2010. - С. 162-165.

9. Скотникова, М.А. Повышение качества поверхности изделий из сплава АМЦ после нанесения регулярного микрорельефа. / М.А. Скотникова, Г.В. Цветкова, С.В. Цветков, Е.В. Миронова, А.В. Соколов // Высокие технологии и фундаментальные исследования: Сборник трудов Девятой международной научно-практической конференции: "Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности". Т. 1. 09-11 декабря 2010.-СПб.-С. 315-319

10. Margarita A. Skotnikova, Nikolay A. Krylov, Jury I. Mescheryakov, Michael M. Radkevich, Evgenie K. Ivanov, EkaterinaV. Mironova Formation of Rotation in Titanium Alloys at Shock Loading // 12- th World Conference on Titanium - 2011. Abstract of the Conference of the Nonferrous Metals Society of China, held in Beijing, China, June 19-24, 2011, p. 797800.

11. M.Skotnikova, GTsvetkova, N.Krylov, E.Ivanov, S.Funikov, E.Mironova Wearproof structural and phase status of the surface of preparation of steel 45 after Plasma spraying // World Conference Friction, Wear and Wear Protection. Abstracts of the Conference of the Deutsche Gesellschaft & Materialkunde (DGM), German, held in Aachen, October 26-28, 2011, p.46.

12. Margarita A. Skotnikova, Nikolay A. Krylov, Jury I. Mescheryakov, Michael M. Radkevich, Evgenie K. Ivanov, EkaterinaV. Mironova Formation of Rotation in Titanium Alloys at Shock Loading // 12- th World Conference on Titanium - 2011. Proceedings of the Conference of the Nonferrous Metals Society of China, held in Beijing, China, June 19-24, 2011, p. 540-543.

13. Миронова, Е.В. Выбор оптимального режима термообработки титановых сплавов типа ВТ20 с применением количественной металлографии и анализа химического состава фаз. / Е.В. Миронова // XLI Неделя науки СПбГПУ: материалы научно-практической конференции с международным участием. 4.IV. - СПб.: Изд-во Политехнического ун-та, 2012. -С. 140-142.

14. М.А. Skotnikova, E.V. Mironova, А.А. Lanina, N.A. Krylov, E.V. Homchenko. Structural and Phase Transformation in material of Blades of Steam Turbines from titanium Alloy after Technological Treatment. Современное машиностроение. Наука и образование: Материалы Междунар. науч.-практ. конференции. - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2013. - С. 256-264.

Подписано в печать 30.10.2013. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 1121ЗЬ.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.:(812) 550-40-14 Тел./факс: (812) 297-57-76

ФГБОУ ВПО «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы

(2009 - 2011 годы)» № 2.1.2/12147

На правах рукописи

04201450767

МИРОНОВА ЕКАТЕРИНА ВИКТОРОВНА

РАСПАД НЕРАВНОВЕСНЫХ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТИТАНОВЫХ ЗАГОТОВОК ДЛЯ ЛОПАТОК ПАРОВЫХ ТУРБИН

Специальность 05.16.09 - Материаловедение (машиностроение)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель — доктор технических наук, профессор М.А. Скотникова

Санкт-Петербург — 2013

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ 7

ГЛАВА 1. Особенности структурно-фазовых превращений в титановых лопатках паровых турбин в процессе каплеударной эрозии 14

1.1 Теории эрозионной прочности

1.1.1. Отличие кавитации от каплеударного нагружения

1.1.2. Волновая теория 18

1.2. Оценка эрозионной стойкости 22

1.2.1. Кинетика эрозионного изнашивания

1.2.2. Влияние свойств металлов 24

1.3. Каплеударная эрозия лопаток 27

1.3.1. Закономерности взаимодействия потока пара с лопатками паровых турбин 32

1.3.2. Пути повышения эрозионной стойкости лопаток паровых турбин 39

1.3.3. Металлургический путь повышения эрозионной стойкости сплавов 45

1.3.4. Применение физических методов исследования 49

1.3.4.1. Кинетика накопления эрозионной повреждаемости

1.3.4.2. Инкубационный период как одна из основных характеристик каплеударной эрозии 53

1.4. Особенности структурно-фазовых превращений при каплеудар-ном воздействии 55

1.5. Структурно-фазовые превращения в титане и титановых сплавах 57

1.6. Влияние легирующих элементов в титановых сплавах 62

1.7. Термообработка титановых сплавов

1.8. Общая характеристика структуры титановых сплавов

1.8.1. Литая структура

1.8.2. Деформированная структура

1.8.3. Структура после термообработки

ГЛАВА 2. Материалы и методика исследования

2.1. Обоснование выбора материала для исследования

2.2. Качественная и количественная оптическая металлография

2.2.1. Качественная металлография

2.2.2. Количественная металлография

2.3. Просвечивающая и растровая электронная микроскопия

2.4. Рентгеноструктурный анализ

2.5. Микрорентгеноспектральный анализ

ГЛАВА 3. Исследование высокотемпературного распада вакансионно-пересыщенных ОЦК - твёрдых растворов при полиморфном а<-»|3 превращении сплавов титана

3.1. Особенности полиморфного превращения в титановых спла вах

3.2. Кристаллогеометрическая модель вакансионного пересыще ния высокотемпературной ОЦК-модификации титана

3.3. Исследование свойств высокотемпературного вакансионно пересыщенного ОЦК-твёрдого раствора

Выводы по главе 3 ГЛАВА 4. Исследование структурно-фазовых превращений и перераспределения легирующих элементов после нагрева и воздушного охлаждения в температурно-временной области распада вакансионно-пересыщенных ОЦК - твёрдых растворов в горячедеформированных сплавах титана ВТ20 и ВТ6 с пластинчатой структурой

4.1. Научно-обоснованный выбор температуры окончательной штамповки заготовок титановых лопаток паровых турбин

4.2. Оценка количества высокотемпературной Р - фазы в материале прутка турбинной лопатки из сплавов ВТ20 и ВТ6 в зависимости от различных температур закалки 113

4.3. Исследования сплава ВТ-20 с пластинчатой структурой после различных температур отжига 120

4.3.1. Качественная металлография сплава ВТ-20 с помощью мик-ровизора отраженного света цЛ^о-МЕТ

4.3.2. Количественная металлография сплава ВТ-20 с помощью анализатора изображения ТЫхоте! 123

4.3.3. Анализ химического состава отдельных фаз 129

4.3.4. Исследование кратковременных механических свойств сплава ВТ-20 после различных температур отжига 136

4.3.5. Выбор оптимального режима термообработки сплава ВТ-20 139

4.4. Исследование сплава ВТ-20 с бимодальной структурой 143

4.4.1. Качественная металлография сплава ВТ-20 с помощью мик-ровизора отраженного света цХ^го-МЕТ

4.4.2. Количественная металлография сплава ВТ-20 с помощью анализатора изображения ТЫхоте! 144

4.4.3. Исследование эксплуатационных механических свойств. Длительная прочность на базе 100 часов при температуре 450оС 145

4.5. Обсуждение полученных результатов 146 Выводы по главе 4 149

ГЛАВА 5. Результаты исследования структурно-фазовых превращений и перераспределения легирующих элементов в материалах промышленных титановых лопаток из сплавов ВТ20 и ВТ6 с глобулярно - пластинчатой структурой после окончательной штамповки вблизи приведённых температур Т50, Т65, Т75 151

5.1. Преимущества бимодальной структуры по сравнению глобулярной и пластинчатой структурой

5.2. Исследование структуры металла лопаток паровых турбин после различных температур окончательной штамповки с помощью оптической микроскопии 155

5.3. Исследование распределения легирующих элементов с помощью микрорентгеноспектрального анализа в металле лопаток из титанового сплава после штамповки 156

5.4. Исследование микротвёрдости фазовых составляющих в материалах лопаток паровых турбин после различных температур окончательной штамповки 160

5.5. Электронно-микроскопические исследования субструктуры металла лопаток паровых турбин после различных температур окончательной штамповки 162

5.6. Схема формирования структуры и распределения легирующих элементов в металле лопаток паровых турбин после различных температур окончательной штамповки 166

5.7. Механические свойства металла лопаток паровых турбин после различных температур окончательной штамповки 168

5.8. Исследование структуры металла по длине промышленной лопатки паровой турбины после её изготовления по второй (рекомендуемой) технологии окончательной штамповки с охлаждением из температурного интервала Т65, с помощью микровизора отраженного света jxVizo-MET 173

5.9. Исследование структуры металла по длине промышленной лопатки паровой турбины после её изготовления по второй (рекомендуемой) технологии окончательной штамповки с охлаждением из температурного интервала Т65, с помощью анализатора изображения Thixomet 176 Выводы по главе 5 182

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 184

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 186

ПРИЛОЖЕНИЯ 197 Приложение 1

Приложение 2 198

Приложение 3 199

Приложение 4 200

Приложение 5 203

Приложение 6 205

ВВЕДЕНИЕ

Для увеличения мощности паровых турбин, необходимо увеличение длины рабочих лопаток цилиндра низкого давления, а значит, увеличение их габаритов и веса. В процессе горячей деформации и теплосмен, по сечению заготовок лопаток возникает повышенная склонность материала к структурно-химической неоднородности, которая приводит к разбросу результатов механических испытаний и к снижению их уровня, особенно вязко-пластических. Поэтому возрастают требования, предъявляемые к лопаточному материалу.

Практика показала, что наиболее перспективными материалами являются титановые сплавы, которые по сравнению со сталями, обладают в 2-2,5 раза более высокими значениями удельной прочности, коррозионно-эрозионной и усталостной стойкости. Применение титановых сплавов сделало возможным создать рабочую лопатку длиной 1400 мм, но для этого было необходимо совершенствовать технологию её изготовления.

Технология изготовления титановых заготовок (особенно больших толщин) основана на использовании горячей деформации и последующей термической обработки. Уже в процессе пластической деформации и на стадии последующей термообработки, имеет место распад неравновесных твердых растворов, вызывающий снижение вязко-пластических свойств титановых сплавов.

В связи с вышесказанным, работа по исследованию распада неравновесных твердых растворов и механических свойств титановых заготовок для лопаток паровых турбин, а также разработка путей создания регламентированной структуры с заданным и стабильным комплексом свойств, является, безусловно, актуальной.

Цель настоящей работы заключалась в изучении закономерностей структурных и фазовых превращений, сопровождающихся релаксационным перераспределением избыточных легирующих элементов в объеме крупногабаритных титановых заготовок для лопаток паровых турбин при определенных высоких

*;

температурах, и в разработке путей создания регламентированной структуры

металла лопаток с заданным и стабильным комплексом свойств.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Разработать кристаллогеометрическую модель высокотемпературного вакансионно - пересыщенного состояния ОЦК - твёрдого раствора, формирующегося при нагреве в результате полиморфного превращения из плотноупако-ванной ГПУ- модификации. Установить причины трудности измельчения зерен при нагреве полиморфного титана и его сплавов путем фазовой перекристаллизации;

2. Построить зависимости между абсолютными температурами нагрева (Т) под закалку и результатами количественной оценки содержания высокотемпературной (3- фазы, далее определить температуры приведенные к одинаковому содержанию высокотемпературной (3- фазы (Тр) в материалах прутков из сплавов ВТ6 и ВТ20;

3. Разработать методику и компьютерную программу для электронно-микроскопической оценки типа и параметров кристаллической решётки дисперсных фаз титановых лопаточных материалов;

4. Изучить закономерности структурных и фазовых превращений в объёме титановых лопаток паровых турбин, сопровождающихся релаксационным перераспределением избыточных легирующих элементов;

5. Установить корреляционные зависимости структурно-химических параметров исследованных сплавов с комплексом механических свойств и разработать технологические рекомендации по выбору рационального режима окончательной штамповки материала лопаток паровых турбин из сплавов ВТ6 и ВТ20, с регламентированной глобулярно-пластинчатой структурой и с заданным и стабильным комплексом механических и служебных свойств.

Научная новизна.

1. Установлено, что во время полиморфного ар—>РР- превращения, высокотемпературная ОЦК- фаза, образуясь по сдвиговому механизму и наследуя дефекты низкотемпературной (ГПУ)- модификации, оказывается вакансионно -

пересыщенным ß- твердым раствором (ßnepec.)- Полное завершение полиморфного превращения и переход ßnepec пересыщенной вакансиями в равновесное состояние (ßnepec-->ßp)> протекает по диффузионному многостадийному механизму распада: на 1 стадии возникает микрорасслоение (образование двух зон - обогащенной и обедненной вакансиями); на 2 стадии внутри этих зон, соответственно, появляются когерентные с металлической матрицей предвыделения - ва-кансионные с ш (ГПУ)- решеткой (хрупкое оо - состояние) и - металлические с алмазоподобной решеткой (кристаллогеометрически упрочненное состояние). Далее, на 3 стадии происходит перераспределение на вакантные места дислоцированных атомов, то есть "схлопывание" вакансионной и металлической подрешеток и формирование равновесного ОЦК - твердого раствора.

2. Установлено, что горячая деформация заготовок из сплавов ВТ20 и ВТ6 и воздушное охлаждение из температурно-временного интервала, соответствующего приведённой температуре Т65, приводит к распаду, находящихся в вакансионно - пересыщенном ОЦК- состоянии неравновесных ßnepec, твердых растворов с максимальной скоростью, так как распаду предшествуют структурные превращениями по механизму полигонизации. На стадии микрорасслоения происходит равномерное внутризёренное перераспределение вакансий и избыточных легирующих элементов вдоль малоугловых дислокационных границ субзёрен, вызывая изменение их химического и фазового состава. Наблюдается повышение прочности материала за счет упрочнения дислокационными границами субзёрен и сохранение вязко - пластических свойств за счет относительно равномерного распределение легирующих элементов в структуре сплавов.

3. Установлено, что горячая деформация заготовок из сплавов ВТ20 и ВТ6 и ускоренное охлаждение из температурно-временных интервалов, соответствующих приведённым температурам Т50 и Т75, приводит к задержке распада, находящихся в вакансионно - пересыщенном ОЦК- состоянии неравновесных ßnepec» твердых растворов, так как распаду предшествуют структурные превращениями по механизму непрерывной рекристаллизации. Избыточные вакансии

и легирующие элементы распадающихся фаз (по механизму восходящей диффузии) интенсивно перераспределялись на границы раздела рекристаллизован-ных зёрен или в пределы фаз, не подвергнутых рекристаллизации, приводя к возрастанию их концентрационной неоднородности и к появлению крупных частиц (концентраторов) остаточной Р- фазы. При этом отмечали снижение прочностных и вязко-пластических характеристик.

4. В результате проведенных исследований получены новые технические решения, подтвержденные патентом РФ № 2013610022 от 09.01.2013 (см. приложение 1).

Личный вклад автора_ заключался в том, что: предложен алгоритм компьютерной программы для электронно-микроскопической оценки типа и параметров кристаллической решётки дисперсных фаз титановых лопаточных материалов; проведены исследования и установлены закономерности структурно-фазовых превращений, сопровождающихся перераспределением избыточных легирующих элементов в объеме титановых заготовок; получены экспериментальные результаты по оценке кратковременных механических и эксплуатационных свойств исследованных сплавов; даны рекомендации по разработке технологического процесса при штамповке заготовок из сплава ВТ20, позволяющего получить изделие с заданным и стабильным комплексом свойств и с регламентированной структурой металла.

Практическая значимость работы заключается в том, что:

• Проведенные исследования позволили предложить рациональные режимы термомеханической обработки материала титановых лопаток паровых турбин, путем создания регламентированной структуры с заданными и стабильными механическими свойствами на основании комплексных исследований температурно-временных особенностей формирования и распада неравновесных твердых растворов, имеющей важное народно-хозяйственное значение.

• Результаты работы были использованы на предприятиях ОАО "ЛМЗ", ООО "Орис - ММ", ОАО «Красный октябрь».

• Результаты работы нашли отражение в разработке методических указаний и учебного пособия в рамках проводимых лабораторных работ по дисциплине «Физика технологических процессов в машиностроении».

• Экономический эффект от внедрения результатов работы составил 350 тыс. руб.

Основные положения, выносимые на защиту:

• Разработка кристаллогеометрической модели высокотемпературного ва-кансионно - пересыщенного состояния ОЦК - твёрдого раствора, формирующегося в результате полиморфного превращения при нагреве титановых сплавов.

• Закономерности структурных и фазовых превращений в объёме титановых лопаток паровых турбин, после различных технологических режимов их изготовления;

• Закономерности распределения избыточных легирующих элементов отдельно в а- и Р- фазах после различных технологических режимов изготовления лопаток;

• Проведение механических испытаний. Установление корреляций между структурно-химическими параметрами и комплексом механических и служебных свойств

исследованных сплавов.

Достоверность результатов обеспечивается использованием фундаментальных положений физики твёрдого тела, большим объемом экспериментов, выполненных с привлечением современных методов исследования (стандартных и специально разработанных).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и результаты исследований докладывались и обсуждались на 7 научно-технических конференциях и семинарах, в том числе на: XVII Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов», СГТУ, Самара, 2009; XIX «Петербургских чтениях по проблемам прочности», Санкт-Петербург, 2010; IX Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», Санкт-Петербург,

2010; The 12th World Conference on Titanium, Beijing, China, 2011; The World Conference Friction, Wear and Wear Protection, Aachen, German, 2011; XLI Неделя науки СПбГПУ, 2012; 3-я Международная научно-практическая конференция «Современное машиностроение. Наука и образование», Санкт-Петербург, 2013; на научно-технических семинарах кафедры "Машиноведение и основы конструирования" СПбГПУ 2009-2013 г.г.

Публикации. Основное содержание работы отражено в 14 печатных работах, в том числе в 1 патенте. 4 работы опубликованы в рецензируемом научном журнале, рекомендованном ВАК. Библиографический список основных работ приведён в конце автореферата.

Диссертационная работа была выполнена автором в рамках целевой программы "Развитие научного потенциала высшей школы" на тему «Повышение каплеударной эрозионной стойкости титановых лопаток паровых турбин атомных электростанций, как результат понимания и к�