автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Роль гадолиния в изменении структуры, фазового состава и эксплуатационных свойств жаропрочного титанового сплава ВТ38 при воздействии высоких температур до 700°C

На правах рукописи

ЯКОВЛЕВ АНАТОЛИЙ ЛЬВОВИЧ

РОЛЬ ГАДОЛИНИЯ В ИЗМЕНЕНИИ СТРУКТУРЫ, ФАЗОВОГО СОСТАВА И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ЖАРОПРОЧНОГО ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ38 ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР ДО 700°С

Специальность 05.16.01 «Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

11 МАР 2015

Москва-2015

005560221

Диссертационная работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Государственном научном центре Российской Федерации (ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ).

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Ночовная Надежда Алексеевна

Доктор технических наук, ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ

Мамонов Андрей Михайлович

Доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «МАТИ - Российский государственный технологический

университет имени К.Э. Циолковского», профессор кафедры «Материаловедение и технология обработки материалов»

Поварова Кира Борисовна

Доктор технических наук, профессор, ФГБУН Институт Металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН), главный научный сотрудник

ОАО «Всероссийский институт легких сплавов»

Защита диссертации состоится «31» марта 2015 г. в 16:00 часов на заседании Диссертационного совета Д 403.001.01 при ФГУП «ВИАМ» по адресу: 105005, г. Москва, ул. Радио, д.17.

Тел.: (499) 261-86-77, факс: (499) 267-86-09

e-mail: admin@viam.ru;

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ и на сайте vvwvv.viam.ru.

Отзывы на автореферат, заверенные печатью, просим высылать по адресу: 105005, г.Москва, ул.Радио, д.17, ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ.

Автореферат разослан Ц » ^2015

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

Шишимиров М.В.

О ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ, 2015 ©Яковлев A.J1., 2015

1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 1.1 Актуальность работы

С увеличением скоростей полета летательных аппаратов возросла температура аэродинамического нагрева обшивки их крыльев, обтекателей и других узлов. В связи с этим возникла необходимость в разработке конструкционных листовых титановых сплавов высокотемпературного применения.

В существующей практике к жаропрочным титановым сплавам, применительно к деталям авиационной техники, предъявляется целый ряд требований. В зависимости от условий работы может быть выделено какое-то одно определяющее свойство и его величина должна быть максимально возможной, но, тем не менее, сплав должен обеспечивать и необходимый минимум целого комплекса свойств. К их числу относятся:

• Высокие значения кратковременной и длительной прочности во всем интервале рабочих температур;

• Термическая стабильность, т.е. способность сохранять определенный комплекс свойств во всем диапазоне рабочих температур и в течение всего времени эксплуатации;

• Высокое сопротивление усталости во всем диапазоне рабочих температур;

• Высокое сопротивление ползучести при рабочих температурах и заданных нагрузках;

• Высокие значения вязкости разрушения;

Уже само по себе перечисление приведенных выше свойств показывает, насколько сложна задача создания материала, обладающего такими свойствами. Указанная задача еще более усложняется в связи с потребностью значительного увеличения ресурса работы деталей при одновременном снижении их стоимости, которая все резче проявляется в последнее время. Эти требования существенно меняют степень важности того или иного показателя свойств и выдвигают на первое место показатели, определяющие возможные сроки эксплуатации изделий (термостабильность структуры и способность сопротивляться проникающему окислению - жаростойкость) и, одновременно, высокую технологичность сплава.

Одной из возможностей расширения температурного интервала применения листовых титановых сплавов является их микролегирование редкоземельными элементами (РЗЭ). На основе исследований по микролегированию РЗЭ, в ВИАМ создан конструкционный листовой титановый псевдо-а сплав высокотемпературного (до 600°С) применения ВТ38 для летательных аппаратов нового поколения.

Однако, до настоящего времени механизм влияния добавок РЗЭ на структуру и свойства титановых сплавов не установлен. Исследование изменения структурно-фазового состояния титановых сплавов легированных РЗЭ, особенно при температурах эксплуатации, является весьма важной и актуальной задачей современного материаловедения, т.к. дает возможность

управления структурой и фазовым составом, а, следовательно, и комплексом свойств титановых сплавов в процессе их эксплуатации.

Еще одной не менее актуальной проблемой является возможность получения тонких листов из сплава ВТ38 в условиях серийного производства, т.к. сплавы со схожей с ним системой легирования считаются труднодеформируемыми, их промышленное производство вызывает определенные трудности, как в технологическом, так и в экономическом аспекте.

1.2 Цель работы

Изучение роли гадолиния в изменении структуры, фазового состава и эксплуатационных свойств жаропрочного титанового сплава ВТ38 при воздействии высоких температур до 700°С и разработка технологий деформационной и термической обработок для изготовления листовых полуфабрикатов.

1.3 Задачи работы

1. Исследовать влияние микролегирования Сс1 на жаропрочные характеристики, механические и усталостные свойства сплава ВТ38.

2. Определить механизм влияния Сё на кинетику окисления титанового сплава ВТ38.

3. Установить влияние различного содержания вс1 на изменение структуры и фазового состава сплава ВТ38.

4. Разработать технологии деформационной и термической обработок сплава ВТ38 для изготовления листовых полуфабрикатов.

1.4 Научная новизна работы

1. Установлено, что газонасыщение сплава ВТ38 идет по механизму фронтального окисления с образованием четко выраженного равномерного газонасыщенного слоя в интервале температур 500-700°С.

2. Установлено, что вплоть до температуры 600°С при выдержке 500 ч. не происходит значительного изменения структуры и фазового состава матрицы сплава. Интенсивный распад твердого раствора с образованием аг-фазы и фаз, содержащих вс! наблюдается при температуре 700°С.

3. Установлено, что введение вс! в количестве 0,2% оказывает наиболее эффективное модифицирующее действие, выраженное измельчением структурных составляющих, как на стадии изготовления слитка, так и при деформации, что обеспечивает повышение механических характеристик сплава.

4. Установлено, что наличие в составе сплава ВТ38 0,2% Сё, замедляет процесс окисления матрицы сплава благодаря образованию оксидов вё, модификация которых изменяется в процессе термоэкпозиции - содержание кислорода в оксиде вс! увеличивается при повышении температуры термоэкспозиции.

1.5 Практическая ценность работы

1. Разработана и реализована на ОАО "Корпорация ВСМПО-АВИСМА" опытно-промышленная технология изготовления листов толщиной 2,0 мм из жаропрочного титанового сплава ВТ38 для изделий авиационно-космической техники с целью повышения их ресурса и весовой эффективности конструкции. Выпущена ТР 1.2.2397-2014 «Изготовление полуфабрикатов и деталей штампосварных конструкций из жаропрочного листового титанового сплава ВТ38».

2. Определен рациональный уровень легирования сплава ВТ38 гадолинием, для получения высокого уровня жаростойкости и эксплуатационных характеристик целесообразно легировать сплав на максимально допустимое содержание Ос! - 0,2%. Значения МЦУ у сплава с 0,2% вё выше на 70% и 25%, чем у сплавов без 0(1 и с 0,05% соответственно.

3. Определены механические свойства, в том числе малоцикловая усталость и скорость роста трещины усталости, листов из сплава ВТ38. Показано, что сплав ВТ38 обладает более высоким уровнем механических свойств по сравнению со всеми серийными жаропрочными листовыми титановыми сплавами, применяемыми в настоящее время: ств20 >971 МПа, Оюоб00>240 МПа, > 21,3 км, КСи = 2,4 - 3,9 МДж/м2.

4. Сплав ВТ38 может быть применен для замены серийных жаропрочных листовых титановых сплавов, используемых в настоящее время (ВТ20, ВТ18У и др.). Внедрение сплава ВТ38 позволит применить титановые сплавы в узлах и агрегатах, работающих длительно (> 100 ч.) при температуре до 600°С включительно и кратковременно до температуры 700°С, что обеспечит повышение весовой эффективности конструкции.

1.6 Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях и выставках:

1. Доклад «Жаропрочные конструкционные титановые сплавы» на научной конференции «Материалы и технологии нового поколения для перспективных изделий авиационной и космической техники» в рамках Международного авиационно-космического салона МАКС-2013, Москва, 2013 г.;

2. Доклад «Жаропрочный титановый сплав ВТ38 и перспективы его применения» на симпозиуме «Новые материалы, перспективные технологии металлургии» в рамках научно-технического конгресса «Международного Форума Двигателестроения» («МФД-2014»), Москва, 2014 г.;

3. Доклад «Современные жаропрочные листовые титановые сплавы» на XII Международной конференции Ть2014 в СНГ, Нижний Новгород, 2014г.

1.7 Объём работы

Диссертация содержит 113 страниц машинописного текста, 87 рисунков, 23 таблицы, состоит из введения, 5 глав, выводов и перечня литературы из 59 наименований.

2 ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В первой главе проведен обзор научно-технической литературы в области разработки композиций, микроструктуры, фазового состава, а также эксплуатационных свойств жаропрочных титановых сплавов. Показано, что существующие промышленные жаропрочные отечественные и зарубежные листовые титановые сплавы (ВТ18У, ВТ20, Р21Э) в настоящее время могут применяться до температур не выше 550°С. Повысить жаростойкость указанных сплавов возможно за счет устранения внутрикристаллической ликвации при выплавке слитка, глубокой гомогенизации заготовок перед окончательной обработкой с целью получения равновесного фазового состава сплава во всем сечении детали, но в этом случае это будет достигаться за счет некоторого снижения их жаропрочных свойств. Т.к. традиционное легирование исчерпало себя, то наиболее перспективным направлениям повышения жаропрочности является микролегирование новыми элементами, в том числе редкоземельными (РЗЭ). Однако до настоящего времени механизм влияния добавок РЗЭ на структуру и свойства титановых сплавов не установлен.

Во второй главе представлено описание материалов и методик исследования. Объектом исследований являлись слитки и листы из жаропрочного листового титанового сплава ВТ38. В качестве сплава сравнения был взят сплав системы легирования ТьМо-1МЬ-А1-81, широко применяемый за рубежом в качестве жаропрочного листового титанового сплава.

Слитки и листы из сплава ВТ38 были изготовлены по опытной технологии в условиях ФГУП «ВИАМ», а также, по разработанной опытно-промышленной технологии в условиях ОАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА». Был проведен контроль химического состава изготовленных полуфабрикатов.

Температурные выдержки проводили в камерных электропечах сопротивления СНОЛ 200/13 с воздушной атмосферой по 15 режимам. Для расположения в печи в образцах были сделаны отверстия, диаметром 2,0 мм. Охлаждение проводилось на воздухе. Все образцы были обезжирены, промыты дистиллированной водой и сфотографированы. Была также проведена визуальная оценка состояния поверхности образцов.

Исследование микроструктуры проводили на микрошлифах после травления на растровом электронном микроскопе «,18М-840» с увеличениями х500, хЮОО, х1500, х1600, хЗООО, х5000 в соответствии с ПИ 1.2.785 - 2009 «Металлографический анализ титановых сплавов».

Измерение микротвердости проводилось на нетравленых микрошлифах прибором ПМТ-3 (ПМТ-ЗМ) в соответствии с инструкцией по эксплуатации прибора при температуре 20°С.

Гравиметрические измерения для исследования окисляемости проводили путем взвешивания образцов размерами 25x25x2 мм на весах AND GR-202 до и после температурных выдержек.

Сплав ВТ38 с газонасыщенным слоем на поверхности исследовали с применением дифрактометра Д\МАХ-2500 и многофункциональной приставки МРА-2000 японской фирмы «Rigaku».

Исследование локального химического состава образцов проводили методом качественного и количественного микрорентгеноспектрального анализа на аппарате «Суперпроб-733» ("JCMA-733", фирма JEOL, Япония).

Исследования микроструктуры образцов сплава ВТ38 проводились методом оптической микроскопии, а также с применением просвечивающего электронного микроскопа JEM 200СХ фирмы JEOL.

Испытания на растяжение для определения механических свойств (сто,2, ов, Е, б5) были проведены на установке Zwick/Roell Z100 при температуре +20°С.

Испытания на МЦУ проводили на резонансной усталостной машине «Amsler 100 HFP5100» при частоте 49 Гц, по режиму: R=0,06, cmax =207 МПа, 0min=12,4 МПа, Тисп = 20°С.

Испытания на СРТУ проводились на сервогидравлической машине фирмы «MTS» по режиму: атахбругго=8,2 кгс/мм2 (80,4 МПа), Ra=0,l, частота v=10 Гц в соответствии с ASTM Е647.

Третья глава посвящена исследованию кинетики газонасыщения сплава ВТ38 после различных температурно-временных параметров термоэкспозиции.

Исследование кинетики газонасыщения проводили на сплаве ВТ38 с максимальным содержанием Gd (0,2 %). В качестве сплава сравнения был выбран псевдо-Р сплав системы легирования Ti-Mo-Nb-Al-Si, широко применяемый за рубежом в качестве жаропрочного листового титанового сплава. Для получения листовых полуфабрикатов в условиях ФГУП "ВИАМ" была разработана опытная технологическая схема изготовления листов из титанового сплава ВТ38. На основании исследований различных параметров отжига листов был разработан режим термической обработки сплава ВТ38 -отжиг при температуре 950°С, в течение 1 часа.

Взаимодействие титана с кислородом сопровождается двумя параллельно идущими процессами: образованием оксидов и растворением кислорода в металлической основе.

Оценку глубины газонасыщенного слоя проводили на образцах из сплавов ВТ38 и Ti-Mo-Nb-Al-Si после их термоэкспозиции при температурах 500, 600 и 700°С, при выдержке 10, 25, 100, 250 и 500 ч. методом измерения микротвердости и на основе микроструктурного анализа в соответствии с инструкцией ВИАМ ПИ.1.2.665-2013 «Определение величины газонасыщенного (альфированного) слоя на полуфабрикатах и изделиях из титановых сплавов».

После выдержек при 500°С (10 ч., 25 ч., 100 ч., 250 ч.), 600°С (10 ч„ 25 ч., 100 ч.) изменение микротвёрдости в поверхностных слоях незначительно, т.к. глубина газонасыщенного слоя очень мала, т.е. не превышает 3 мкм. Однако,

возрастание микротвердости на глубине 10 мкм до 455 кг/мм2 косвенно свидетельствует о наличии оксидов или повышенном содержании кислорода.

После выдержки при 500°С, во всем временном интервале, вплоть до 500 ч., результаты измерений микротвердости показали, что глубина газонасыщенного слоя на сплаве ВТ38 и сплаве Ti-Mo-Nb-Al-Si не более 10 мкм.

Было определено, что после термоэкспозиции по режиму 600°С, 500 ч. процесс газонасыщения более интенсивно протекает на сплаве Ti-Mo-Nb-Al-Si -глубина газонасыщенного слоя достигает 70 мкм. Полная глубина газонасыщенных слоев составляет на сплаве ВТ38 ~ 50-55 мкм, на сплаве Ti-Mo-Nb-Al-Si ~ 65-70 мкм. Необходимо отметить, что значения микротвердости на протяжении всего диапазона измерения по глубине у сплава ВТ38 в среднем на 100-150 единиц ниже, чем на сплаве сравнения.

Глубина газонасыщенного слоя на сплаве ВТ38 при термоэкспозиции 700°С, 250 ч. приблизительно равна 25 мкм, что меньше, чем при выдержках 650°С, 250 ч. и 500 ч. Это объясняется общей теорией газонасыщения титановых сплавов, т.е. ростом толщины оксидов титана - ТЮ2; Ti2C>3 и т.д., что, естественно, приводит к уменьшения содержания кислорода в растворе внедрения. На сплаве Ti-Mo-Nb-Al-Si глубина слоя составляет 40-50 мкм, что меньше, чем в предыдущем случае (600°С, 500 ч.), это также соответствует вышесказанному, т.е. классическому механизму окисления титановых сплавов.

Термоэкспозиция при 700°С в течение 500 ч. приводит к резкому повышению микротвердости на сплаве сравнения, вплоть до глубины 25 мкм. Как и при термоэкспозиции при 600°С, 500 ч., разница по значениям микротвердости между сплавом ВТ38 и сплавом Ti-Mo-Nb-Al-Si в среднем -100-150 единиц на всем диапазоне измерения.

График изменения глубины газонасыщенного слоя в зависимости от режимов термоэкспозиции, построенный на основе полученных измерений, представлен рисунке 1.

Данные, приведенные на графике, четко демонстрируют сходство механизмов окисления а- и ß- сплавов - ход кривых окисления практически идентичен. Несмотря на то, что данные по микротвёрдости позволяют только косвенно судить о характере окисления сплава ВТ38, можно сделать вывод, что наибольшее окисление на поверхности происходит до глубины 25-40 мкм. Однако, величина газонасыщенного слоя сплава Ti-Mo-Nb-Al-Si по всем режимам термоэкспозиции превышает аналогичные значения сплава ВТ38.

500 600

Температура выдержки, °С

Рис. 1 Изменение глубины газонасыщенного слоя в зависимости от режимов термоэкспозиции

После термоэкспозиции образцы из сплава ВТ38 имеют однородную, без градиентных цветовых переходов поверхность, что свидетельствует о высокой степени однородности структуры и фазового состава сплава. В тоже время на образцах сплава "П-Мо-МЬ-А1-81 были обнаружены участки с резким цветовым контрастом, на некоторых образцах наблюдается отслаивание окалины от поверхности. Наиболее ярко вышеуказанные процессы наблюдались после термоэкпозиции по режимам 700°С 100 ч. и 700°С 250 ч.

Оценка глубины газонасыщенного слоя, проведенная гравиметрическим методом, показала, что степень окисления у сплава ВТ38 менее значительна, чем у сплава ТьМо-МЬ-А1-81. Следует отметить, что при температуре 500°С и времени выдержки 10 ч., 25 ч. 100 ч. и 250 ч. сплавы ВТ38 и Т1-Мо-МЬ-А1-81 имеют практически одинаковые значения по привесу, однако, при увеличении времени выдержки до 500 ч., величина привеса на образцах сплава ВТ38 на 25% меньше чем у сплава Т1-Мо-ЫЬ-А1-81. Наиболее значительно преимущество по жаростойкости сплава ВТ38 проявляется при высоких температурах (600°С и 700°С) и при времени выдержки 250-500 часов. Так, наибольшая разница в привесе наблюдается после выдержки 700°С в течении 250 ч. (рис. 2) - привес образцов сплава ВТ38 меньше на 70% по сравнению с образцами сплава ТьМо-МЬ-А1-8к

Рис.2 График зависимости привеса от времени выдержки при 700°С

Для исследования изменения фазового состава сплавов ВТ38 и Т1-Мо-МЬ-А1-81 был проведен рентгеноструктурный фазовый анализ образцов после различных режимов термоэкспозиции.

№ Состояние Фазовый анализ

обр сшива

Исходный aTi а=0,293нм. с=0,470нм.

с\а=1,603 а=0,323нм

3 500М0час aTi, ТЮ,. слсл.ЛКО|

29 5003.500час aTi. TÍO. - слаб., след. A1.0t

65 700М0час TiO;. aTi, след.АЩ,+$Ю;сл

89 700\500час TiO,,+ Al.Oj, aTi

Рис.3 Рентгеноструктурный фазовый анализ сплава ВТ38

В сплаве ВТ38 (рис.3) не обнаружено существенной разницы между фазовым составом после различных режимов термоэкспозиции, в поверхностном слое присутствуют фазы ТЮ2, а'П, А1203.

На поверхности образцов ТьМо-ЫЬ-А!^ (рис.4) также присутствуют оксиды ТЮ2 и А12Оэ, причём 71 Сь фиксируется в виде двух модификаций -рутила и анатаза. Появление анатаза, свидетельствует о начале спонтанного окисления.

№ Состояние Фазовый анатпз

обр сплава

Исходный рГ] а^0,325нм

Б] 500°, 1 Очас ТЮ,,+ р„+след.

Б5 500°,500час АШРАМЫ!,

Б11 700°. 1 Очас Рп + ТЮ..+ след.

Б15 700°,500час Л1,0,+ЛМЬП,

ТЮ,.+ А1,0,+АМЬ'П,

ТЮ,,руттш+ р „+ а ,+ ТЮ,-

анатаз, ■ Д1:05 - Л1\ЬП

Рис. 4 Рентгеноструктурный фазовый анализ сплава И-Мо-ЫЬ-А!^

Анализ результатов рентгеноструктурного фазового исследования косвенно подтверждает вывод о большей плотности рутила на сплаве ВТ38 после выдержки при 700°С, 10-500 ч. по сравнению со сплавом Т1-Мо-ЫЬ-А1-81, о чем свидетельствует отсутствие модификации анатаза.

Для выявления механизма окисления сплавов ВТ38 и И-Мо-МЬ-А1-81 был проведен микрорентгеноспектральный анализ.

При анализе полученных результатов отмечено, что в исходном состоянии (сплав ВТ38), предположительно в составе оксида Ос1 находится 12,1% 02, а при термоэкспозиции 700°С, 500 ч. - 16,6% 02. Состав оксидов меняется из-за большего сродства кислорода к Сс1, чем к 'П. Из чего можно сделать вывод, что введение добавки Ос1 замедляет процесс газонасыщения сплава ВТ38.

О более высокой жаростойкости сплава ВТ38 свидетельствуют данные по процентному содержанию элементов внедрения, присутствующих в поверхностных слоях. Так, например, при термоэкспозиции 700°С, 10 ч. и 500 ч. количество элементов внедрения зафиксированных в поверхности сплава ВТ38 и Т1-Мо-МЬ-А1-81 составляет - 7,3% и 3,7% соответственно, т.е. у сплава ВТ38 наблюдается меньшее проникновение элементов внедрения в матрицу сплава.

При проведении микрорентгеноспектрального анализа установлено, что в структуре сплава ВТ38 четко видно присутствие 0(1 (светлые участки). Фотографии сделаны в режиме СОМРО, изображение в котором формируется обратноотражёнными электронами (рис. 5).

ВТ38

700°С,500ч

р^сх - превращение

вовремя ■

термоэкспозиции

Рис. 5 Фотографии микрорентгеноспектрального анализа

Исследование изменения микроструктуры поверхностных слоев сплавов ВТ38 и Т1-Мо-1МЬ-А1-81 после различных температурно-временных параметров термоэкспозици (рис. 6), показало, что в исходном состоянии микроструктура сплава ВТ38 представлена зернами глобулярной а-фазы, микроструктура сплава Т1-Мо-МЬ-А1-81 - смешанного типа с мелкопластинчатыми выделениями внутри зерен первичной р-фазы с вкраплениями глобулярной а-фазы.

Анализ микроструктуры показал, что в процессе термоэкспозиции в сплаве ВТ38 происходят процессы собирательной рекристаллизации. В сплаве Т1-Мо-МЬ-А1-81, наблюдается распад а-пластин, увеличивается содержание р-фазы.

Обобщая полученные результаты, можно сделать вывод о том, что наиболее значительное влияние на кинетику процесса окисления сплава ВТ38 гадолиний оказывает в интервале температур 600-700°С, что проявляется в образовании газонасыщенных слоев значительно меньшей (на 28-85%) глубины чем на сплаве И-Мо-МЬ-А1-8к

Исходное состояние

Исходное

'Г^я/Чь'

9765 22КУ Х1000 10цт №039

ВТ38

П-Мо-ИЬ-А!^

700°С, 500 часов

ВТ38 ТьМо-ЫЬ-А!^

Рис.6 Микроструктуры поверхностных слоев после различных температурно-временных параметров термоэкспозиции

В четвертой главе исследовано изменение структуры сплава ВТ38 в зависимости от содержания гадолиния (таблица 1). Была разработана и опробована опытно-промышленная технология изготовления листов из сплава ВТ38 габаритами 2000x800x2,0 мм в условиях ОАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА». Слитки были выплавлены в промышленных вакуумно-дуговых печах методом двукратного переплава. Шихтовка слитков производилась в соответствии с указанным составом. Выход годного по весу составляет 86,63%.

9886 22КУ Х1000 10цт N025

состояние

Таблица 1 Химический состав слитков

Элемент п А1 Ъх Бп ЫЬ Мо 81

1 Содержание, % Основа 6,5 4,0 2,2 1,0 0,65 0,19 0,05

2 Основа 6,5 4,0 2,2 1,0 0,65 0,19 0,125

3 Основа 6,5 4,0 2,2 1,0 0,65 0,19 0,2

Процесс изготовления листов заключается в ковке слитков (осадка, чередующаяся всесторонняя ковка) на итоговые заготовки (сутунки) прямоугольной формы. Далее сутунки подвергаются механической обработке и последующей прокатке. В процессе прокатки большое внимание уделяется поверхности промежуточных подкатов (из-за большого содержания А1, затрудняющего процесс прокатки, в сплаве возможны дефекты на поверхности), в связи с этим, варьируется температура прокатки и при необходимости подкат подвергается промежуточной механической обработке. Листы были прокатаны до толщины -2,1 мм, после чего была проведена термическая обработка, затем листы подвергались адъюстажной (заключительной) обработке. Выпущена ТР 1.2.2397-2014 «Изготовление полуфабрикатов и деталей штампосварных конструкций из жаропрочного листового титанового сплава ВТ38».

Для выявления влияния вс! на характер изменения структуры в зависимости от его содержания в сплаве ВТ38 исследования проводили на полуфабрикатах из сплава ВТ38 с различным содержанием Ос1 (0%; 0,05%; 0,125% и 0,2%).

Показано, что за счёт введения Сс1 происходит модифицирование структуры слитка (рис. 7): уменьшение размера структурных составляющих, переориентация пластин.

0% вс! 0,2% вс!

Рис.7 Микроструктура слитков из сплава ВТ38 с различным содержанием вс!

Структура листов сплава ВТ38 без вс1, соответствует классической структуре жаропрочных псевдо а-титановых сплавов после прокатки вблизи

температуры полиморфного превращения. Дополнительное легирование гадолинием приводит к измельчению структуры, зерна а-фазы принимают более равноосную форму (рис. 8).

0% вс! 0,2% Ос1

Рис.8 Микроструктура листов из сплава ВТ38 с различным содержанием Ос1

Исследование структуры листов из сплава ВТ38 с различным содержанием гадолиния методом просвечивающей электронной микроскопии показало, что структура сплава в исходном состоянии с 0,05% и с 0,2% гадолиния в целом схожа (рис. 9) и состоит из следующих структурных составляющих: участки, содержащие равноосные зерна а-фазы, субзерна, имеющие незначительную разориентацию одно относительно другого, а также участки с пластинчатой структурой. При этом доля участков с а'-пластинами минимальна, по отношению ко всему объему материала.

0% вс! 0,2% Сс!

Рис.9 Структура листов из сплава ВТ38 с различным содержанием вс1 в исходном состоянии

Дополнительная выдержка при температуре 700°С в течение 100 ч. существенно влияет на фазовое состояние сплава ВТ38 (рис. 10). Наблюдается

15

интенсивный распад твердого раствора с образованием а2-фазы. Частицы а2-фазы равномерно распределены в объеме материала, однако, характер распада имеет некоторые особенности в зависимости от участка структуры. Внутри а'-пластин также выделяются частицы а2-фазы, но их распределение по объему пластины имеет более гетерогенный характер, т.е. наблюдается активное зарождение фазы на дислокациях. Поскольку зарождение а2-фаз на дислокациях совершенно не характерно, то с большой долей вероятности эти выделения можно идентифицировать как выделения фаз, содержащих Ос1.

к

¿■ъ

' *

щ

0.2 рт

0% вс!

0,2% вс)

Рис.10 Структура листов из сплава ВТ38 с различным содержанием вс! после выдержки при 700°С в течение 100 часов

Проведена качественная оценка изменений элементного состава вблизи границ между (3-превращенным зерном и участками а-фазы. Также качественно установлен элементный состав отдельных частиц, выделяющихся в ходе температурной выдержки. По результатам анализа установлено, что наряду с основными легирующими элементами в матрице (в твердом растворе) присутствует вс! (рис. 11). Таким образом, выявлено, что Ос1 находится не только, как было показано ранее, в поверхностных слоях, но и в матрице сплава.

По результатам исследований проведенных в главе 4 можно сделать вывод, что наиболее значительное влияние Сс1 на структуру полуфабрикатов оказывает содержание вс! в количестве 0,2%.

iikiliu

Рис. 11 Элементный состав отдельных частиц, выделяющихся в ходе термоэкспозиции 700°С, 100 ч.

Пятая глава посвящена исследованию эксплуатационных характеристик титанового сплава ВТ38.

Результаты испытаний по определению механических характеристик (таблица 2) показали значительное преимущество сплава над широко применяемыми в настоящее время жаропрочными листовыми титановыми сплавами, в частности сплавами ВТ18У и ВТ20, особенно при повышенных температурах. Сплав ВТ38 обладает длительной прочностью (100 ч.) при 600°С -240 МПа, а сплавы ВТ18У и ВТ20 - 190 и 95 МПа соответственно.

Установлено, что по удельной прочности (ав/у) сплав ВТ38 имеет преимущество перед сплавами ВТ18У, ВТ20 и зарубежным жаропрочным титановым сплавом системы Т1-Мо-Тч1Ь-А1-81: 21,3 км - ВТ38, 21,0 км - ВТ18У, 20,9 км - ВТ20, 18,8 км - ТьМо-М>-А1-81.

Electron image

Таблица 2. Сравнительные показатели физико-механических __свойств сплавов

Марка сплава Виды полуфабри катов Плотн ость, кг/м3 Вид термической обработки Механические свойства, не менее, МПа

~ 2(1 _ 500 0100 „ 600 „ 500 ^0.2/100 „ 600 ^0,2/100

ВТ38 Лист 4550 вакуумный отжиг 971 600 240 290 60

ВТ18У Лист 4550 вакуумный отжиг 971 580 190 270 40

ВТ20 Лист 4450 вакуумный отжиг 932 480 95 160 10

ТШо-МЬ-А1-51 Лист 4940 — 930 — — — —

С целью изучения влияния Сё на усталостные характеристики были проведены испытания при 20°С по определению МЦУ листовых образцов сплава ВТ38 с различным содержанием Ос1 (0%, 0,05%, 0,2%) после предварительной выдержки образцов при температуре 700°С в течение 100 ч.

Все испытания проводились на образцах без удаления газонасыщенного (альфированного) слоя.

Результаты испытаний представлены в таблице 3.

Показано, что наибольшими значениями МЦУ после выдержки при температуре 700°С в течение 100 ч. обладают образцы из сплава ВТ38 с 0,2% вс!. Так среднее значение МЦУ у сплава ВТ38 с 0% вё составляет 33954 цикла, с 0,05% вё - 45343 цикла, с 0,2% вс! - 57428 цикла. Особо необходимо отметить, что высокие значения МЦУ были получены после термоэкспозиции при 700°С в течение 100 ч. Следует также отметить, что проведение испытаний после воздействия такой температуры нетипично для титановых сплавов, т.к. их рабочая температура ограничена 600°С. В данном случае такая температура была выбрана для демонстрации возможностей применения сплава ВТ38 в температурно-временных условиях работы, превышающих на 100°С рекомендуемую температуру эксплуатации.

№ Gd, % Напряжение онеттомах, кгс/мм2 Частота f, Гц Долговечность N, циклов Среднее значение Ы, циклов

1 21,095 49 34 576

2 21,095 49 38 267

3 0 21,095 49 27 345 33 954

4 21,095 49 33 140

5 21,095 49 39 223

6 21,095 49 31 178

7 21,095 49 39 728

8 21,095 49 44 367

9 0,05 21,095 49 48 527 45 343

10 21,095 49 47 652

11 21,095 49 46 221

12 21,095 49 45 566

13 21,095 49 54 350

14 21,095 49 52 500

15 0,2 21,095 49 61 900 57 428

16 21,095 49 53 360

17 21,095 49 62 700

18 21,095 49 59 760

Испытания на СРТУ были проведены также при 20°С после выдержки при 700°С в течение 100 часов для верификации получаемых результатов на образцах из сплава ВТ38 с 0,2% вс! и без йс!. Характеристика СРТУ является одной из основных расчетных характеристик, определяющих надежность и степень безопасной повреждаемости конструкции во время её эксплуатации.

Тенденция изменения скорости роста трещины усталости, в зависимости от содержания РЗЭ, аналогична результатам испытаний МЦУ - сплав с 0,2% вс1 показывает предпочтительные результаты = 1,78 мм/кцикл при

ДК = 31,0 МПа м'/г) по уменьшению скорости роста усталостной трещины по сравнению со сплавом без вс1 (с11МТМ = 2,54 мм/кцикл при ДК = 31,0 МПа м'/!). Также как и при испытаниях на МЦУ после длительной выдержки образцов из листов сплава ВТ38 с 0,2% Сс1 при не типичной температуре (на 100°С выше рекомендуемой температуры эксплуатации), при которой происходят активные процессы газонасыщения, сплав сохраняет достаточно высокий уровень трещиностойкости.

Выводы

1. Исследована кинетика окисления и изменение химического состава поверхностных слоёв сплава ВТ38 в интервале температур 500-700°С в течение 10-500 ч. Установлено, что газонасыщение сплава проходит по механизму фронтального окисления с образованием четко выраженного равномерного газонасыщенного слоя.

2. Показано, что наличие в составе сплава ВТ38 Gd, затормаживает процесс окисления матрицы сплава из-за образования оксидов Gd, модификация которых изменяется в процессе термоэкпозиции. Так, в исходном состоянии по данным МРСА в составе оксида Gd находится 12,1% 02, при термоэкспозиции 700°С, 500 ч. - 16,6% 02. Состав оксидов меняется из-за большего сродства кислорода к Gd, чем к Ti.

3. Глубина газонасыщенных слоёв, зафиксированная как металлографическим методом, так и методом измерения микротвёрдости, на 20-30% ниже во всём интервале термоэкспозиций у сплава ВТ38, чем у сплава сравнения Ti-Al-Mo-Nb-Si.

4. Установлено, что наиболее эффективное модифицирующее воздействие, выраженное измельчением структурных составляющих как на стадии изготовления слитка, так и при деформации, оказывает введение Gd в количестве 0,2%.

5. Установлено, что наиболее высокими значениями МЦУ и СРТУ обладает сплав с 0,2% Gd. Так, значения МЦУ у сплава с 0,2% Gd выше на 70% и 25%, чем у сплавов без Gd и с 0,05% Gd соответственно.

6. Определены механические свойства. Показано, что сплав ВТ38 с 0,2% Gd обладает более высоким уровнем механических свойств по сравнению со всеми серийными жаропрочными листовыми титановыми сплавами, применяемыми в настоящее время.

7. Разработана и реализована опытно-промышленная технология изготовления листов из сплава ВТ38 габаритами 2000x800x2,0 мм в условиях ОАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА». Выпущена TP 1.2.2397-2014 «Изготовление полуфабрикатов и деталей штампосварных конструкций из жаропрочного листового титанового сплава ВТ38».

8. Сплав ВТ38 может быть использован для применения в изделиях авиационной и космической техники в качестве листового материала для длительной работы (> 100 ч.) при температуре 600°С и кратковременной при температуре 700°С.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Ночовная Н.А., Яковлев A.JI., Алексеев Е.Б. Влияния гадолиния на жаростойкость сплава ВТ38 // Технология легких сплавов. 2012. №1. С.39-46.

2. Хорее А.И., Ночовная Н.А., Яковлев A.JI. Микролегирование редкоземельными металлами титановых сплавов // Авиационные материалы и технологии, 2012. №S. С. 206-212.

3. Ночовная H.A., Хорее А.И., Яковлев A.JI. Перспективы легирования титановых сплавов редкоземельными элементами // Металловедение и термическая обработка металлов. 2013 г. №8. С. 18-21.

4. Яковлев А.Л., Ночовная H.A., Алексеев Е.Б. Отечественные жаропрочные листовые титановые сплавы // Технология легких сплавов. 2014. №4. С.47-51.

Отпечатан 1 экз. Исп. Яковлев А.Л. Печ. Яковлев А.Л.

Автореферат Яковлева А.Л.

«Роль гадолиния в изменении структуры, фазового состава эксплуатационных свойств жаропрочного титанового сплава ВТ38 воздействии высоких температур до 700°С»

Подписано в печать 12.02.2015г. Заказ № 2/1071 Формат бумаги 60x90/16. Печ. л 1,75. Тираж 80 экз. Отпечатано в типографии ФГУП «ВИАМ» 105005, г. Москва, ул. Радио, 17