автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Технологические методы управления комплексом физико-механических свойств полуфабрикатов и изделий из конструкционных и функциональных сплавов титана

п о

13

С.' \\Oft

\

На правах рукописи УДК 669.295:621.78

КОЛЛЕРОВ Михаил Юрьевич

Технологические методы управления комплексом физико-механических свойств полуфабрикатов л изделий из конструкционных и функциональных сплавов титана.

Специальность 05.02.01 - Материаловедение (Машиностроение)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1998 г.

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

Научный консультант: — член- корреспондент РАН, доктор технических наук,

Защита диссертации состоится " 30 " ноября 1998 года в 14® часов на заседании диссертационного Совета Д 063.56.01 по специальности 05.02.01 в области материаловедения в машиностроении в Московском государственном авиационном технологическом университете им. К.Э. Циолковского по адресу: Москва, ул. Оршанская, 3, МГАТУ им. К.Э. Циолковского. Отзыв на автореферат в одном экземпляре (заверенный печатью) просим направлять по адресу: 103767, Москва, К-31, ул. Петровка, 27, МГАТУ им. К.Э. Циолковского.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Университета. Автореферат разослан 27 октября 1998 года.

Ученый секретарь диссертационного Со

профессор Ильин Александр Анатольевич

Официальные оппоненты:— д.т.н., профессор Полькин И.С. ВИЛС

д. т.н. Д.т.н.

Ведущее предприятие: — ГНЦ ВИАМ

Бунин Л.А. РКК «Энергия» Чернов Д.Б. НИИСУ

д.т.н., профессор

Надежин А.М.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Создание новых образцов техники, особенно в авиации и космонавтике, возможно только при разработке материалов, обладающих более высоким комплексом физико-механических свойств по сравнению с традиционными материалами.

Одним из таких материалов, обеспечивающих прогресс техники, является титан и сплавы на его основе. Они обладают высоким комплексом механических свойств, низкой плотностью и отличной коррозионной стойкостью, что предопределяет повышенный интерес к ним авиа-, ракето-, судо- и автомобилестроительных отраслей промышленности. Некоторые сплавы на основе титана обладают особыми функциональными свойствами, такими как сверхпроводимость ("П-40%1ЧЬ)* и эффект запоминания формы (~П-50%№), которые используются при создании принципиально новых конструкций техники.

Однако, несмотря на огромные потенциальные возможности титановых сплавов, их использование в новой технике происходит недостаточно широко. Это вызвано высокой стоимостью производства полуфабрикатов и изделий и необходимостью использования сложного энергоемкого оборудования для их получения и обработки.

Изменение сложившейся ситуации возможно при интенсификации исследований в нескольких направлениях. Во-первых, необходимо создание новых сплавов и технологических процессов, обеспечивающих значительное повышение комплекса физико-механических свойств; во-вторых, необходимо создание экономнолегированных сплавов, которые при сохранении высокого уровня механических и специальных свойств содержат минимум дефицитных элементов; в-третьих, необходима разработка технологических процессов, позволяющих отказаться от сложного и дорогостоящего оборудования и обеспечивающих расширение номенклатуры производимых полуфабрикатов и изделий. Это позволит снизить стоимость готовой продукции из титановых сплавов и повысить их конкурентоспособность по сравнению с алюминиевыми сплавами, сталями и композиционными материалами.

Для достижения практически значимых результатов в указанных направлениях необходимо проведение всесторонних исследований для установления закономерностей влияния металлургических и технологических факторов на структуру и свойства, в том числе специальные, сплавов на основе титана. В последние 20 лет было проведено большое количество исследований по отдельным сторонам этой

* Здесь и далее по тексту содержание легирующих элементов приведено в атомных процентах

проблемы, которые обобщены в материалах международных конференций по титану и монографиях российских ученых Колачева Б.А., Полькина И.С., Носова В.К., Ильина A.A., Попова A.A. и др. Несмотря на большое количество научных публикаций, многие вопросы по формированию структуры и свойств титановых сплавов остаются открытыми. Это связано как с расширением области применения титановых сплавов, так и с разрабатываемыми в последние годы новыми высокоэффективными технологиями, в частности, термоводород!юй обработкой, которая позволяет существенно изменять технологические и эксплуатационные свойства титановых сплавов. Ее дальнейшее развитие и перспектива внедрения в промышленность обусловливает повышенный интерес к влиянию водорода на механизмы пластической деформации, фазовых и структурных превращений в титановых сплавах, а также к закономерностям формирования их структуры и свойств при удалении водорода путем термической обработки в вакууме. Существенное влияние водорода на специальные свойства титановых сплавов, такие, как сверхпроводимость, эффект запоминания формы, высокое демпфирование, предопределяет необходимость проведения анализа возможности эксплуатации водородсодержащих сплавов.

Кроме того, еще не исчерпаны потенциальные возможности применяемых в настоящее время титановых сплавов и традиционных методов их обработки. Так, например, не решены проблемы упрочняющей термической обработки крупногабаритных полуфабрикатов из титановых сплавов, которые в основном используются в отожженном состоянии, что не позволяет реализовать весь ресурс прочности конструкционных сплавов. Не определены закономерности проявления эффектов запоминания формы, сверхупругости и демпфирования (а + р)-титановых сплавов, что не позволяет использовать их взамен дорогостоящих сплавов на основе интерметаллида TiNi.

Поэтому изучение закономерностей влияния системы и степени легирования, параметров пластической деформации и термической обработки на структуру и свойства титановых сплавов с целью разработки оптимальных составов и технологических процессов обработки сплавов, обеспечивающих формирование высокого комплекса технологических и эксплуатационных свойств при снижении затрат на производство и расширении номенклатуры полуфабрикатов и изделий, является актуальной научной проблемой материаловедения, имеющей практическую значимость для многих отраслей машиностроения.

Цель работы. Разработка высокоэффективных технологических процессов получения и обработки полуфабрикатов и изделий из конструкционных и функциональных сплавов титана на основе установления закономерностей влияния химического состава, термической обработки и пластической деформации на механизмы структурообразования и формоизменения.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- установить закономерности влияния системы и степени легирования, режимов высоко- и низкотемпературной термической обработки на формирование фазового состава, структуры и свойства модельных и промышленных сплавов титана;

- изучить влияние химического и фазового составов на механизм пластической деформации титановых сплавов при нормальной температуре, формирование структуры и изменение свойств при термической обработке холоднодеформированных сплавов;

- определить влияние химического состава, структуры, схемы и степени деформации на закономерности проявления эффекта запоминания формы в сплавах на основе титана и разработать технологию их обработки, позволяющую реализовать требуемый уровень специальных свойств и экономически эффективно использовать титановые сплавы в ряде конструкций вместо сплавов на основе никелида титана;

- разработать принципы выбора режимов упрочняющей термической обработки высокопрочных титановых сплавов, позволяющие оптимизировать параметры высокотемпературной и низкотемпературной обработки в зависимости от формы и размеров полуфабрикатов и изделий, особенностей применяемого технологического оборудования;

- разработать принципы использования водорода в качестве основного легирующего элемента в титановых сплавах функционального назначения (сверхпроводящие сплавы, сплавы, обладающие эффектом запоминания формы, высокой демпфирующей способностью и др.), позволяющего существенно изменять технологические и специальные свойства;

- разработать технологию термоводородной обработки высокопрочных титановых сплавов, позволяющую получать из них новые виды полуфабрикатов (тонкий лист, фольгу, проволоку) холодной пластической деформацией и обеспечить высокий уровень механических свойств готовых изделий.

Научная новизна.

1) Исследовано влияние температурно-скоростных и временных параметров высоко- и низкотемпературной термической обработки на закономерности фазовых превращений при охлаждении, непрерывном нагреве, изотермической выдержке и формирование конечной структуры в двойных и тройных модельных сплавах титана, легированных N1), V, А1, Сг, Н, и в промышленных (а+Р) сплавах. Определены критические скорости охлаждения (гкр), ограничивающие температурно-временные условия охлаждения, при которых реализуются различные механизмы превращения высокотемпературной р-фазы: выше у'Хр-бездиффузионный, ниже у2кр- диффузионный, в интервале - У2кр - промежуточный механизм. Установлены температурно-временные границы распада метастабильных фаз при непрерывном нагреве и изотермической выдержке. Для описания фазового состава сплавов, сформировавшегося в результате охлаждения с различными скоростями, непрерывного нагрева или старения разработаны новые типы диаграмм, позволяющие проводить анализ фазовых превращений и прогнозировать фазовый состав и тип микроструктуры в зависимости от параметров термической обработки.

2) Изучено влияние режимов высоко- и низкотемпературной термической обработки на свойства модельных и промышленных титановых сплавов. Установлено, что максимальная степень химической микронеоднородности фаз наблюдается при охлаждении со скоростью у3хР. Продукты распада высокотемпературной р-фазы в этом случае имеют максимальную дисперсность, обеспечивающую наиболее высокую прочность и минимальную пластичность сплавов. После низкотемпературной обработки (старения) наиболее высоким уровнем прочности обладают сплавы, охлажденные при предшествующей высокотемпературной обработке со скоростями не менее у3кр.

3) Экспериментально установлено влияние химического состава, исходных фазового состава и структуры сплавов на критические скорости охлаждения. Показано, что дополнительное легирование алюминием сплавов титана с р-стабилизаторами приводит к снижению критических скоростей охлаждения в том случае, если Кр' > 1 и к их увеличению при Кр < 1. Уменьшение размеров исходного р-зерна и частиц а-фазы приводит к росту у'^р и у3кр при охлаждении с одной и той же температуры.

4) Впервые установлено, что при легировании водородом сплавов системы И-ЫЬ, содержащих от 6 до 18% МЪ, образуется гидридная фаза состава

' Кр - коэффициент р-стабилизации сплава

6

СП, №>)1.*Нх (х»0,5) с ОЦТ кристаллической решеткой, отношение осей с/а в которой изменяется от 1,14 до 1,02 с увеличением концентрации ниобия. При образовании гидридов р-фаза обедняется водородом и претерпевает бездиффузионные превращения в соответствии с содержанием в ней ниобия. При холодной пластической деформации сжатием в сплавах, легированных до 12% №>, ОЦТ гидрид превращается в ГЦК-гидрид, а в сплавах, содержащих свыше 14% ХЬ, — в (?-фазу.

5) Впервые установлено, что при нагреве образцов из титановых сплавов со структурой механически нестабильной р-фазы, предварительно деформированных со степенью до 8%, возврат деформации при реализации эффекта запоминания формы (ЭЗФ) происходит в три стадии. Первая (при температурах 80-300°С) связана с развитием обратного мартенситного превращения и приводит к восстановлению исходной формы; вторая (при температурах 350-550°С) обусловлена распадом метастабильной р-фазы с образованием а-образных продуктов, кристаллографическая ориентация которых соответствует мартенситу напряжения и способствует восстановлению формы, характерной для состояния после деформирования; третья стадия (при температурах вблизи Асз) вызвана растворением а-фазы и определяет повторное восстановление исходной формы. Установлено влияние системы и степени легирования, схемы и степени деформации, а также условий нагрева на величину восстанавливаемой деформации на каждой стадии реализации ЭЗФ.

6) Установлены закономерности влияния водорода на механизм холодной пластической деформации Р-фазы титановых сплавов. Показано, что в сплавах с Кр>1 водород, повышая механическую стабильность Р-фазы, препятствует формоизменению за счет реализации мартенситного превращения и двойникования, что способствует развитию процессов скольжения в ОЦК решетке. Водород приводит к значительному повышению стартовых напряжений, образуя примесные атмосферы на исходных дислокациях, в то же время снижает напряжения скольжения дислокаций, образующихся в процессе деформации. Это приводит к образованию значительного зуба текучести при испытании сплавов на сжатие и локализации деформации при растяжении. В сплавах мартенситного класса с Кр < 1 легирование водородом способствует образованию механически нестабильной Р-фазы и обеспечивает проявление эффекта запоминания формы и высокого демпфирования.

Практическая зпачнмость.

1) Разработана технология упрочняющей термической обработки плит толщиной до 160 мм и прутков диаметром до 120 мм из высокопрочных титановых сплавов, позволяющая проводить выбор режимов обработки (температура и скорость нагрева, тип охлаждающей среды, температура и время старения) в зависимости от габаритов полуфабриката для обеспечения максимально возможного уровня прочности при сохранении удовлетворительной пластичности, однородности уровня механических свойств по сечению и отсутствии остаточных макронапряжений и поводок. Технология обработки обеспечивает повышение временного сопротивления разрыву на 100-150 МПа по сравнению со стандартными режимами термической обработки.

2) Разработана технология обработки изделий из промышленных титановых сплавов мартенситного и переходного класса, обеспечивающая проявление эффекта запоминания формы. В зависимости от требований, восстановление формы может быть реализовано в интервале температур 80-300°С (прямое восстановление формы) или 400-600°С (обратное восстановление формы). Разработан новый сплав на основе титана (Ti-10Al-12V-lCr), обладающий наиболее высокой величиной восстанавливаемой степени деформации (до 3,8%) по сравнению с серийными (а+Р)-сплавами и по удельным характеристикам восстановления формы приближающийся к сплавам на основе никелида титана. Разработки прошли опытно-промышленное опробование для изготовления термодатчиков и термомеханических соединений трубопроводов и показала высокую экономическую эффективность по сравнению с использованием сплавов на основе никелида титана.

3) Разработан новый сверхпроводящий сплав Ti-21Nb-15H и технология его получения, обработки и изготовления из него многожильных сверхпроводящих кабелей. По сравнению с серийным сплавом НТ50 новый сплав содержит в 1,5 раза меньше дефицитного ниобия, имеет на 14-17% более низкую плотность при сохранении высокой технологичности и уровня сверхпроводящих свойств.

4) Разработан новый технологический процесс получения полуфабрикатов и изделий из высокопрочных титановых сплавов ВТ22И (Россия) и Ti-10-2-3 (США), основанный на сочетании термоводородной обработки и холодной пластической деформации, превосходящий по технико-экономической эффективности технологии, основанные на горячей деформации. Разработанный технологический процесс позволяет производить из этих сплавов новые виды полуфабрикатов (тонкие листы, проволоку, фольгу) и изделий, а также обеспечивать высокий уровень механических свойств готовых изделий (сга > 1250 МПа; 5 > 6%).

Апробация работы. Материалы диссертации были доложены на 12 Международных и 40 Всесоюзных, Российских и отраслевых конференциях и семинарах. В том числе: на V, VI, VIII Международных конференциях по титану (ФРГ — 1984; Франция — 1988; Великобритания — 1995), на Международных конференциях по производству и применению титана ( США — 1990; Южная Корея — 1995, 1997), Евромат-95, 97 (Италия — 1995, Нидерланды — 1997), на Международной конференции по мартенситным превращениям ICOMAT'95 ( Швейцария — 1995) и др.

Результаты диссертации нашли отражение в работах, удостоенных премии Ленинского комсомола в области науки и техники (1984г.), большой, серебряной и двух бронзовых медалей ВДНХ СССР.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы более, чем в 100 работах, защищены 6 патентами Российской Федерации. Список работ, в которых отражено основное содержание диссертации, приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 290 наименований и двух приложений. Она изложена на 189 страницах машинописного текста, содержит 155 рисунков, 15 таблиц.

ГЛАВА I. ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ПРИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ

С позиции технологии термическое воздействие на фазовый состав и структуру титановых сплавов целесообразно разделить на высокотемпературную и низкотемпературную термическую обработку. Высокотемпературная обработка (закалка, отжиг и т.п.) включает нагрев до температур в а+[3- или р-области вблизи температуры Асз сплава, выдержку при этих температурах и охлаждение. Низкотемпературная обработка состоит в нагреве до температур минимальной термической стабильности фаз, зафиксированных высокотемпературной обработкой, и выдержке, в процессе которой происходит распад этих фаз с образованием в конечном итоге равновесной структуры.

В данной главе обобщены результаты исследования фазового состава, структуры и свойств двойных модельных сплавов титана с р-изоморфными стабилизаторами Nb и V, р- эвтектоидообразующим стабилизатором Сг, а также тройных сплавов Ti-P-стабилизатор, дополнительно легированных алюминием (Ti-Al-

V) или водородом (Т1-№>-Н). Охлаждение образцов из горячекатанных прутков исследованных сплавов проводили от температур р-области (Асз + 30+50°) в интервале скоростей 1200-0,002 К/с. Распад метастабильных фаз при низкотемпературной обработке изучали при непрерывном нагреве со скоростями 0,1+10 К/с или при изотермической выдержке до 120000 с. О закономерностях фазовых превращений в процессе термического воздействия судили по результатам высокотемпературной рентгенографии, металлографического, электронно-микроскопического и термического анализов, измерения физических (дилатация, внутреннее трение, магнитная восприимчивость и т.п.) и механических свойств.

Влияние скорости охлаждения на фазовый состав и структуру сплавов определяется механизмом превращения высокотемпературной р- фазы. В том случае, если превращение р-фазы при охлаждении происходит по мартенситному механизму или вообще не происходит, а химический состав фаз при этом не изменяется, то механизм формирования конечной структуры при охлаждении определяется как бездиффузионный. Минимальная скорость охлаждения, обеспечивающая бездиффузионный характер формирования структуры, является первой критической

СКОРОСТЬЮ (V1 кр ).

Максимальная скорость охлаждения, обеспечивающая формирование структуры, содержащей фазы равновесного химического состава, является второй критической скоростью (у2 кр). Снижение скорости охлаждения ниже V2 кр не вызывает изменения химического состава и объемных долей фаз в конечной структуре сплава при нормальной температуре. В интервале скоростей охлаждения у'кр — 1,2кр распад высокотемпературной фазы происходит по промежуточному механизму, включающему в себя элементы как диффузионного, так и бездиффузионного превращения.

Установлено, что в сплавах мартенситного класса всех исследованных систем при снижении температуры в процессе непрерывного охлаждения происходит образование продуктов распада р-фазы, химический состав которых непрерывно изменяется от малолегированного а-титана до сильно пересыщенного мартенсита а' или а", так что можно говорить о неоднородных по химическому составу фазах а"и, оси. Образованию этих фаз предшествует расслоение р-фазы по спинодальному механизму, что приводит к появлению химической неоднородности в микрообластях Р-фазы, поэтому целесообразно ее обозначить также р„, а если с ней сосуществует ю-фаза, то Р(ш)я.

Проведенный анализ экспериментальных результатов исследования влияния скорости охлаждения от температур Р-области на фазовый состав и структуру титановых сплавов различных систем и степени легирования позволил построить серию диаграмм "фазовый состав - химический состав - скорость охлаждения" для двойных сплавов титана СП-МЬ, рис. 1, "П-У, Тт-Сг).

Дополнительное легирование двойных сплавов систем "П-Р-стабилизатор алюминием принципиально не меняет закономерности влияния скорости охлаждения на фазовый состав и структуру сплавов. Следует только отметить две особенности. Во-первых, алюминий затрудняет образование <в-фазы. Во-вторых, при малых концентрациях р-стабштизатора (К¡5<1,0) он повышает, а при больших (Кр>1,0) — понижает критические скорости охлаждения и г2кр (см. рис.1, кривые 2,4).

Дополнительное легирование водородом оказывает сильное р-стабилизирующее действие, интенсивно снижая температуру Асз и критические скорости у'1р ( рис.1, кривые 1, 5) и у2Кр. Кроме того водород препятствует образованию ш-фазы и вызывает появление в структуре гидридов различного состава. В зависимости от содержания Р-стабилизаторов и водорода гидриды состава СПМе)1-х Нх могут иметь ОЦТ кристаллическую решетку с с/а от 1,02 до 1,14 (х я 0,5) или ГЦК (х вблизи 0,66). Образование гидридов при охлаждении происходит по механизму, который имеет мартенсиюподобный характер. Он определяется сдвиговым характером смещения атомов, находящихся в узлах кристаллической решетки (атомы титана и элементов замещения) и некооперативным перемещением атомов водорода на расстояния, которые могут значительно превышать межатомные. Так как подвижность атомов водорода даже при нормальной температуре значительна, то подавить образование гидридов увеличением скорости охлаждения (по крайней мере до 1200 К/с) не удается. Поэтому первую критическую скорость охлаждения в водородсодержащих системах целесообразно определять как минимальную скорость, при которой подавляется диффузия титана и элементов замещения. Сосуществующая с гидридом р-фаза обедняется водородом и претерпевает превращения в соответствии со своим химическим составом: до концентрации Со — в мартенсит а'; в интервале от Со до С"кр — в мартенсит а"; в интервале от С"кР до С"'Кр — в Р(о)-структуру. При содержании р-стабилизаторов свыше С'кр р-фаза частично сохраняется в структуре сплава после охлаждения до нормальной температуры.

V, КУс -

ю2 ю1 10° 10"

ю2 ш3

1 а' а"

а'Ч Р(а>)

а"н > V > ч ч. р

ч \ V'- 1

а\ Ч Ч

аР+рР \ а". \

а)

о

12 18 24 30 1\1Ь,ат%

V К/с

102 101 10° Ю-1 10"2 10"3

!

\ 1 4

б)

О 1 2 Кр

Рис.1. Диаграмма "фазовый состав - химический состав - скорость охлаждения" сплавов системы П-ИЬ (а), и влияние коэффициента ^-стабилизации сплавов (Кр) систем ТС-ЫЬ (1),П-У (2), П-Сг (3), Ть10А1-У (4), ТМ5Н-№) (5) на первую критическую скорость охлаждения (у'кр) от температур р- области (б). 12

Проведен анализ взаимосвязи структуры сплава, образующейся в результате охлаждения при высокотемпературной обработке, с его свойствами. Установлено, что максимальные прочностные и минимальные пластические характеристики сплавов наблюдаются при формировании структуры с наибольшей неоднородностью химического состава фаз и, как следствие, с высокой степенью дисперсности. Скорость охлаждения, при которой образуется такая структура, как правило, отвечает смене превалирующего механизма превращения высокотемпературной р-фазы с бездиффузионного на диффузионный. Целесообразно выделить такую скорость, обеспечивающую максимальное упрочнение сплава при охлаждении, и обозначить ее у'кр. Механические свойства титановых сплавов не зависят от скорости охлаждения выше 1лкр и ниже и имеют зависимость с экстремумом в интервале у'кр -у2кр (при V5*,, )•

Проведенные экспериментальные исследования и анализ литературных данных

показали, что распад метастабильных фаз при непрерывном нагреве и старении

происходит по промежуточному механизму, включающему элементы диффузионного и

бездиффузионного превращений. Последовательность реализации этих механизмов

может быть различна. При распаде малолегированных (Кр<0,5ч-0,6) мартенсигных фаз

а'и а" с высокой температурой обратного мартенситного превращения (500-700°С) при

непрерывном нагреве происходит расслоение этих фаз на микрообласти с повышенным

и пониженным содержанием р-стабилизаторов. Первые претерпевают при

последующем нагреве обратное мартенситное бездиффузионное превращение в р-

фазу, а вторые, за счет диффузионного обмена компонентами сплава с образовавшейся

Р-фазой, приближаются по составу к равновесной а-фазе. Таким образом, распад

мартенсита при нагреве происходит по схеме а"(а')->а"(а')обог. + а"(а')олед -> р +

а"(а')0бед.-> рР +- ар. При распаде силыюлегированных (Кр>0,5^0,6) мартенсигных фаз, у

которых температура обратного мартенситного превращения находится в интервале

100-550°С, на первом этапе может протекать полный или частичный бездиффузионный

а"(а')-> Р переход. Если обратное мартенситное превращение не доходит до конца, то

распад мартенсита происходит аналогично рассмотренному выше случаю. В том

случае, когда обратное мартенситное превращение завершается полностью, или

исходная структура сплава представлена метастабильной Р-фазой, то при нагреве

происходит расслоение Р-фазы на области, обогащенные и обедненные р-

стабилизаторами. Если состав микрообъемов р-фазы достигает С кр, то и них

образуется со-фаза. Формирование р(ш) областей можно рассматривать как

конкурирующий процесс р—превращению, которое развивается только при

13

температурах выше 450°С, когда со-фаза начинает растворяться в Р-фазе. Дополнительное легирование сплавов алюминием, препятствующим образованию ш-фазы, вызывает уменьшение объемной доли Р( ш) - структуры и снижение температур распада р-фазы по схеме р -»Робог. + Роб«н.-> Р обог. + а"(а'). Диффузия компонентов сплава между Рооог. и <х"(а') фазами приводит к формированию (Р+а)-структуры, близость которой к равновесной определяется температурой и скоростью нагрева. Морфология и дисперсность образующейся а-фазы связана в основном с субструктурой распадающейся р-фазы, дисперсностью и равномерностью выделений ю-фазы или с наличием и расположением в структуре обедненных областей р -фазы.

Распад при непрерывном нагреве неоднородных по химическому составу фаз, сформировавшихся после высокотемпературной обработки со скоростями охлаждения в интервале у'^-у2^, принципиально не отличается от распада в структурах, сформировавшихся по бездиффузионному механизму (у>у'кр). Особенности заключаются в том, что в структуре неоднородных по химическому составу фаз уже сформированы области, отвечающие определенной стадии распада метастабильных фаз. Формирование равновесной структуры в таких сплавах при низкотемпературной обработке ускоряется при снижении скорости охлаждения при высокотемпературной обработке в интервале -у3кр, и замедляется в интервале у\р -у2кр.

При старении превращения метастабильных фаз развиваются по схемам, аналогичным наблюдаемым в процессе непрерывного нагрева. В зависимости от температуры старения распад может не доходить до конца при практически приемлемых временах выдержки, и формирующаяся структура будет отвечать какой-либо промежуточной стадии превращения. Обычно анализ изменения фазового состава и структуры титановых сплавов при старении проводят с помощью "С-образных" диаграмм, которые позволяют достаточно точно описать температурно-временные условия распада метастабильных фаз в конкретном сплаве, подвергнутом определенной высокотемпературной обработке. Однако, для выявления общих закономерностей влияния химического состава сплавов на их фазовый состав и структуру в процессе нагрева и старения необходимо сопоставление целой серии таких диаграмм, одновременный анализ которых затруднен. Поэтому для модельных сплавов систем ТьМЬ, "П-У Тт-Сг, Т1-А1-У (рис.2), 'П-ЫЬ-Н результаты исследований распада метастабильных фаз в процессе непрерывного нагрева было предложено обобщить в виде диаграмм "фазовый состав — химический состав — температура

Рис. 2. Диаграмма "фазовый состав - химический состав - температура непрерывного нагрева" образцов, нагреваемых со скоростью 0,03 К/с, (а) и "фазовый состав -химический состав - время старения" образцов, состаренных при температуре минимальной термической стабильности исходной структуры, (б) сплавов системы ТМ0А1-У.

непрерывного нагрева", а при старении в виде диаграмм "фазовый состав — химический состав — время старения" при температуре минимальной термической стабильности исходной структуры.

Установлено, что при старении сплавов, охлажденных после высокотемпературной обработки со скоростями выше 1кр, дисперсность образующейся структуры максимальна, прочностные характеристики (о,; сто,г; НЯС) достигают наибольшего уровня и не зависят от скорости охлаждения, хотя эффект упрочнения при старении снижается при уменьшении у в интервале - у3кр. При старении после охлаждения сплава со скоростями ниже У3кр достигаемая прочность и эффект упрочнения снижаются с уменьшением V до у2^,. Сплавы, охлажденные со скоростью ниже у\р, при последующем старении не упрочняются.

ГЛАВА II. ВЛИЯНИЕ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ ПРИ НОРМАЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ.

Пластическая деформация титановых сплавов при нормальной температуре (холодная пластическая деформация) может контролироваться одним из трех механизмов - скольжением, двойникованием, мартенситным превращением - или одновременно несколькими из них. Физическая природа пластической деформации и математическое описание ее развития по перечисленным механизмам достаточно хорошо изучены.

Однако, условия проявления того или иного механизма пластической деформации титановых сплавов, которые определяются химическим и фазовым составом сплава, его структурой, схемой и степенью деформации, до настоящего времени мало исследованы. Анализ литературных данных и исследование влияния системы и степени легирования, термической обработки и условий деформирования на формоизменение модельных сплавов ТШЬ, ТЬА1-У, ТМЧЬ-Н и др. позволили определить основные закономерности развития пластической деформации в титановых сплавах и установить ее роль в формировании их структуры и свойств при последующем термическом воздействии.

Образцы, охлажденные от температур |1-области, деформировали при нормальной температуре растяжением, сжатием, кручением и изгибом на различную степень. Их фазовый состав и структуру изучали методами металлографического, электронноминроскопического и рснтгеноструктурного анализа. Механизм

пластической деформации и особенности дислокационно-примесного взаимодействия исследовали с применением методов измерения внутреннего трения.

Механизм накопления пластической деформации при нормальной температуре за счет развития мартенситного превращения под нагрузкой может наблюдаться в сплавах, в которых после высокотемпературной термической обработки фиксируется структура механически нестабильной р -фазы. Для этого (а+Р) сплавы должны иметь химический состав вблизи С«р" и быть охлаждены от температур Р-области со скоростями выше у'^,. Механически нестабильная р-фаза под действием напряжений превращается в мартенсит а' или а" в зависимости от системы легирования, рис.3 а, б. Накопленная при таком превращении деформация соответствует кристаллографически обратимой деформации мартенситного перехода и определяется степенью его завершенности и ориентацией кристаллов исходной фазы по отношению к действующей нагрузке (текстура образца).

Для определения максимально возможной величины кристаллографически обратимой деформации совместно с Макаренковым Д.Ю. разработана математическая модель расчета деформации в поликристаллических образцах титановых сплавов, обладающих различными типами текстуры, при р~»а'(а") и В2-»В19' мартенситных переходах. Разработанная модель позволяет учитывать развитие аккомодационной деформации при образовании инвариантной плоскости растущего мартенситного кристалла, самоаккомодацию группы мартенситных кристаллов, текстуру поликристалла и схему его деформации. Показано, что величина кристаллографически обратимой деформации мартенситного перехода для титановых сплавов с Кр =1 может изменяться от 11% (сплавы систем "Л- р эвтектоидный стабилизатор: Сг, Ре, испытывающие р—их' превращение, и сплавы на основе никелида титана, испытывающие В2—>В19' переход) до 4,5% в сплавах с р -*а" переходом (сплавы систем "Л- р изоморфный стабилизатор: V, Мо, Мэ и т.д.).

Двойникование по своей природе близко к мартенситным превращениям и характеризуется определенной кристаллографически ограниченной деформацией, которая может быть накоплена для данной системы двойникования. Для наиболее часто наблюдаемых систем двойникования а" и р-фаз в титановых сплавах эта величина, как правило, не превышает 8,5%, а полнота развития двойникования в основном зависит от системы и степени легирования сплава.

В р-фазе двойникование наблюдается при содержании р-стабилизаторов, отвечающем Кр=1,1 * 1,3. При меньшей концентрации Р-стабилизаторов в р-фазе

а) б)

в) г)

Рис. 3. Схематические кривые деформации сжатия поликристаллов сплавов со структурой механически нестабильной р-фазы (а, б), стабильной (1-фазы с исходным содержанием водорода (в) и дополнительно легированной водородом (г).

I - мартенситный механизм пластической деформации;

II - механизм скольжения;

III - промежуточный механизм.

Стм - напряжения мартенситного превращения; Оси - напряжения скольжения;

ад От11- "верхний" и "нижний" предел текучести, соответственно.

развивается мартенситное превращение, а при большей концентрации или значительных деформациях (е>5%) — скольжение.

Формоизменение сплавов со структурой мартенсита или механически нестабильной р-фазы при нагружении может происходить за счет деформации, реализующейся различными механизмами. Например, в сплавах переходного класса, имеющих после закалки от температур р-области структуру механически нестабильной р-фазы, при малых степенях холодной пластической деформации происходит мартенситное р-»сс" превращение, в результате которого накапливается до 5-6% деформации. При этом образующийся мартенсит имеет двойникованную структуру и занимает от 30 до 90% объема структуры сплава. После завершения мартенситного превращения формоизменение сплава возможно только по механизму скольжения. Сплав к этому моменту деформации имеет структуру, представленную, в основном, мартенситом с низкосимметричной кристаллической решеткой и характеризующуюся высокой протяженностью межфазных и двойниковых границ. Такая структура затрудняет скольжение, что приводит к значительному возрастанию усилий деформирования, а разрушение образцов происходит при низкой пластичности, по сравнению со сплавами с механически стабильной р-фазой.

Исследования амплитудных зависимостей внутреннего трения образцов, предварительно деформированных на различную степень, показали, что практически полностью мартенситпый механизм формоизменения реализуется при деформации сплавов на основе никелида титана. В этих сплавах с упорядоченной структурой В2-фазы наблюдается значительная разность между напряжениями мартенситного превращения и скольжения (см. рис. За). Для сплавов на основе титана с неупорядоченной р-фазой разность этих напряжений невелика. Поэтому только по мартенситному механизму накапливается около 1% деформации, а при больших степенях формоизменение происходит по промежуточному механизму (см. рис. 36).

Таким образом в сплавах титана однозначный механизм пластической деформации при нормальной температуре может наблюдаться только в сплавах с однофазной механически стабильной р-структурой (см. рис. Зв). В этом случае деформация протекает скольжением с формированием, например при прокатке, текстуры с компонентами (100) <110>, (112) <110>.

Водород существенно влияет на механизм пластической деформации титановых сплавов при нормальной температуре. В сплавах с Кр<1 легирование водородом способствует образованию при охлаждении от температур Р-области с V > у',р механически нестабильной р-фазы, и при нагружении деформация накапливается за

19

счет мартенситного превращения. В сплавах с Ке>1 водород повышает механическую стабильность р-фазы, что при нагружении способствует увеличению вклада в формоизменение механизма скольжения. Однако, являясь высокоподвижным при нормальной температуре элементом внедрения, водород существенно влияет на характер скольжения. Измерение амплитудозависимого внутреннего трения образцов, подвергнутых деформации на различную степень и последующему естественному старению, позволило сделать следующие выводы. В процессе естественного старения деформированных водородсодержащих образцов наблюдается образование примесных атмосфер на дислокациях. При времени выдержки до нескольких часов еще неравновесные атмосферы перемещаются вместе с дислокациями при небольших (у<2»10 5) амплитудах деформации кручения, а при больших амплитудах дислокации отрываются от атмосфер. Когда время выдержки составляет несколько тысяч часов, водородные атмосферы достигают равновесного состава, и отрыв дислокаций от них возможен при достаточно больших деформациях (у>2»10"3). Водород, образуя атмосферы Котрелла на имеющихся в структуре дислокациях, повышает стартовые напряжения для их движения и увеличивает "верхний" предел текучести материала. В то же время растворенный в р-фазе водород снижает упругие напряжения от дефектов кристаллического строения, что приводит к уменьшению напряжений, необходимых для движения дислокаций, оторвавшихся от водородных атмосфер или образовавшихся вновь. Это вызывает снижение "нижнего" предела текучести и эффекта деформационного упрочнения. В результате этого при испытании на сжатие водородсодержащих титановых сплавов со структурой механически стабильной Р-фазы наблюдается образование зуба текучести, величина которого может составлять до 30% от величины "нижнего" предела текучести (см. рис. Зг). При испытании на растяжение образцов из этих же сплавов сразу же после достижения условного предела текучести наблюдается деформационное разупрочнение. Это обусловлено локализацией деформации в образце, когда только небольшой объем рабочей части образца преодолевает при деформировании "верхний" предел текучести, и в дальнейшем вся деформация сосредотачивается на этом участке образца. Поэтому предельная пластичность водородсодержащих сплавов во многом определяется схемой его деформации. В случае прокатки или осадки сплавов с водородом, когда принудительно деформируется весь объем материала, их пластичность очень высокая. В то же время при волочении возможна локализация деформации и разрушение при низкой пластичности.

Характер изменения структуры и свойств деформированных полуфабрикатов при последующем нагреве и старении во многом будет зависеть от того, по какому из механизмов формировалась исходная структура при пластической деформации. В свою очередь, этот механизм зависит от структуры, образовавшейся в процессе предварительной высокотемпературной термической обработки, и от условий деформации. Если в результате охлаждения от температур Р-области со скоростью выше У'Ч-р формируется структура с механически нестабильной Р-фазой, а деформация при нормальной температуре происходит с небольшими (до 3-^5%) степенями, то формоизменение сплава при нагружении обусловлено, в основном, мартснситным превращением. При нагреве со скоростями, при которых не успевают протекать диффузионные процессы, происходит обратное мартенситное превращение, и при температуре выше конца обратного мартенситного превращения происходит восстановление исходной структуры р-фазы с той ориентировкой, которую она имела до деформации. В результате такого нагрева форма предварительно деформированного образца возвращается к исходной, т.е. реализуется эффект запоминания формы (ЭЗФ).

В отличие от классических сплавов с ЭЗФ на основе никелида титана р-фаза в сплавах на основе титана термически нестабильна. Поэтому, если нагрев образцов сплавов с механически нестабильной структурой после деформации происходит со скоростью, при которой диффузионные процессы успевают развиваться, то после полного или частичного обратного мартенситного превращения происходит распад Р-фазы. Образующаяся в результате распада а"-фаза наследует кристаллографическую ориентацию мартенсита деформации, т.е. реализуется как бы обратный эффект запоминания формы. В результате этого форма образцов стремиться к той, которую они имели после деформации. При последующем переходе от р + а" (а1) к р + а структуре изменения формы образцов не происходит, поскольку а-фаза наследует ориентировку а"-фазы. Однако, когда температура нагрева образцов приближается к температуре Асз, наблюдается растворение ориентированной а-фазы, вследствие чего форма образцов приближаться к той, какую они имели до деформации.

В деформированных сплавах с механически стабильной структурой фазовые превращения при нагреве протекают также, как и в недеформированном материале. Однако наблюдается значительное сокращение времени достижения соответствующих этапов превращения и некоторое снижение температурных 1раниц областей существования промежуточных структур. Это вызывает увеличение степени дисперсности продуктов распада и повышение прочностных характеристик

состаренного сплава. Кроме того, в деформированных сплавах развиваются процессы возврата и рекристаллизации ß-фазы, которые приводят к формированию более широкой гаммы структур. Развитие процессов возврата и рекристаллизации определяется составом, структурой и условиями деформации титановых сплавов. В том случае, если при нагреве сплавов не происходит распада исходных фаз, возврат и рекристаллизация развиваются по известным закономерностям. Распад метастабильных фаз ускоряет возврат, но замедляет рекристаллизацию. Это связано с тем, что продукты распада ß-фазы выделяются в первую очередь на дефектах кристаллического строения, снижая упругие искажения решетки, и уменьшают тем самым движущую силу процесса рекристаллизации.

В водородсодержащих пластически деформированных сплавах процессы возврата замедлены, так как образованные на дефектах кристаллического строения атмосферы Котрелла снижают как их упругую энергию, так и подвижность. При повышении температуры атмосферы растворяются, освобождая дефекты, и при достижении температуры начала рекристаллизации зарождение новых рекристаллизованных зерен ß-фазы происходит достаточно активно.

ГЛАВА III. ТЕХНОЛОГИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПОЛУФАБРИКАТОВ И ИЗДЕЛИЙ ИЗ КОНСТРУКЦИОННЫХ СПЛАВОВ ТИТАНА.

Термическая обработка титановых сплавов состоит из одного или нескольких

циклов нагрева и охлаждения. Как показали исследования, которые были обсуждены в

главе I, структура, формирующаяся на последнем этапе обработки, и свойства

полуфабрикатов и изделий во многом зависят от параметров термического

воздействия: скорости и температуры нагрева (v„, tH), времени выдержки при заданной

температуре (тв), скорости охлаждения (v). Причем влияние этих параметров на

механизм формирования структуры и комплекс свойств может различаться в

зависимости от системы и степени легирования сплавов. Кроме того существенное

влияние на выбор режимов термической обработки должна оказывать исходная

структура полуфабрикатов, сформировавшаяся на предварительных этапах его

обработки, которая в свою очередь определяется температурой, схемой и степенью

пластической деформации, режимами промежуточных отжигов и т.д. Для обеспечения

оптимального уровня механических свойств полуфабриката или изделия из титанового

сплава необходимо учитывать взаимное влияние перечисленных выше параметров, а

также ограничения на режимы термической обработки, накладываемые особенностями 22

формы и размера изделия и применяемого в конкретном производстве термического оборудования. Поэтому в данной главе обобщены результаты анализа литературных данных и собственных исследований по влиянию исходной структуры и режимов термической обработки (Ч'н, 1Я, тв, V) на структуру и свойства промышленных (а+Р) титановых сплавов различного класса, а также показана эффективность использования установленных закономерностей для выбора режимов упрочняющей термической обработки высокопрочных титановых сплавов ВТ16, ВТ22 и ВТ23.

Для оценки влияния высокотемпературной обработки на фазовый состав и структуру промышленных титановых сплавов были построены диаграммы "фазовый состав - температура нагрева - скорость охлаждения". В этих диаграммах, в отличие от рассмотренных в первой главе, ось химического состава сплава заменена на температуру нагрева, которая в ос+Р-области определяет химический состав высокотемпературной Р-фазы. При этом в структуре сплава присутствует первичная а'-фаза, количество и морфология которой при последующем охлаждении со скоростями выше практически не изменяются. Охлаждение со скоростями ниже у3кр вызывает увеличение количества и размера частиц а'-фазы.

Общие закономерности формирования структуры промышленных сплавов после охлаждения из р и а+р-области такие же, как и у модельных сплавов, охлажденных от температур р-области, поскольку механизм формирования структуры в процессе охлаждения в основном определяется химическим составом р-фазы. Следует также отметить влияние исходной структуры сплавов на величину критических скоростей при охлаждении от температур (а+Р)-области. В том случае, когда сплап деформировался в двухфазном состоянии, его структура перед охлаждением из (а+Р)-области обладает высокой протяженностью межфазных границ и повышенной, по сравнению с отожженным состоянием, концентрацией дефектов кристаллического строения. Это приводит к облегчению процессов зарождения при распаде Р-фазы и увеличению критических скоростей охлаждения. Если сплав деформирован или предварительно отожжен в Р-области, то после выдержки в (а+Р)-области размеры р-зерна и а-пластин увеличиваются, а дефектность кристаллической структуры снижается. Поэтому критические скорости охлаждения сплава с такой структурой при уменьшении температуры нагрева в (а+Р)-области непрерывно снижаются вследствие увеличения степени легирования высокотемпературной Р-фазы (рис. 4). В результате проведенных исследований построены диаграммы "фазовый состав - температура нагрева - скорость охлаждения" для промышленных сплавов ВТ6, ВТ16,

ВТ23, ВТ22, ВТЗО с различной исходной структурой.

23

Рис. 4. Диаграмма "фазовый состав - температура нагрева - скорость охлаждения" сплава ВТ 16 (а) и влияние температуры нагрева на первую критическую скорость охлаждения (у'кр) сплавов ВТ16, ВТ23, ВТ22И (б) после горячей деформации в (а+Р)-области (-) и предварительного отжига в р-области (Асз+30°) (—).

Исходная структура сплава также влияет на температурно-временные границы различных стадий распада фаз при низкотемпературной термической обработке. Показано, что увеличение протяженности межфазных границ и дефектности кристаллической структуры сплава принципиально не меняет последовательности фазовых превращений при нагреве и старении, описанные в главе 1, но снижает температуры и времена выдержки, при которых они наблюдаются. Кроме того, снижение температуры нагрева в (а+Р)-области при высокотемпературной обработке приводит к увеличению времени достижения равновесной структуры при соответствующей температуре низкотемпературной термической обработки.

Исследования механических свойств титановых сплавов после различных сочетаний режимов высоко- и низкотемпературной обработок позволили выявить ряд практически значимых закономерностей:

- после охлаждения со скоростями, близкими к у\-р, в сплавах формируется структура, обеспечивающая наиболее высокий уровень прочностных свойств (сгв; сто,2; ПЯС) и микронапряжений, минимальный уровень пластических свойств (5, у) и характеристик работоспособности (КС11, КСТ и др.);

- максимальную прочность после низкотемпературной термической обработки сплавы имеют в том случае, если их скорость охлаждения при высокотемпературной обработке была не менее у3кр;

- с уменьшением температуры нагрева в (а+р)-области при высокотемпературной обработке увеличивается объемная доля первичной а-фазы, обеспечивающей повышение пластичности сплава, поэтому последующее старение можно проводить при более низких температурах, когда в процессе распада р-фазы выделяется дисперсная а-фаза, способствующая повышению прочностных свойств.

Уменьшение температуры нагрева в (а + Р)-области при высокотемпературной обработке вызывает снижение объемной доли фаз, склонных к распаду при старении, и, соответственно, эффекта упрочнения. Однако одновременно с этим уменьшаются значения у3кр, охлаждение со скоростями выше которой обеспечивает достижение максимальной прочности. Поэтому при использовании некоторых типов охлаждающих сред (воздух, охлаждение с печью и т.п.) для изделия определенного размера скорость охлаждения от температур верхней части (а+Р)-области может быть меньше и не обеспечивать достаточное упрочнение при старении,-а—при охлаждении от более низких температур быть выше у\р, что позволяет достигать при старении более высоких значений прочности. Поэтому подбором условий

высокотемпературной и низкотемпературной обработки можно обеспечивать требуемый уровень механических свойств титановых сплавов.

Упрочняющая термическая обработка высокопрочных сплавов титана позволяет существенно повысить уровень прочностных свойств и по удельной прочности превзойти большинство сплавов на основе алюминия и легированные стали. Однако, для крупногабаритных полуфабрикатов и изделий этот вид обработки практически не применяется из-за опасности возникновения при закалке и старении высокого уровня макро- и микронапряжений, вызывающих поводки, коробление и даже "самопроизвольное" разрушение изделий. Кроме того, формирование неоднородной структуры по ссчению полуфабрикатов и изделий, вследствие различия в скоростях охлаждения, вызывает неравномерность уровня механических свойств. Поэтому чаще всего в условиях производства упрочняющую термическую обработку заменяют на отжиг, который не позволяет реализовать весь ресурс прочностных свойств титановых сплавов.

Для оптимизации режимов упрочняющей термической обработки необходимо иметь информацию об изменении температурных полей по сечению полуфабрикатов и изделий в процессе охлаждения и нагрева. С этой целью, совместно с Мамоновым И.М., была разработана математическая модель, которая методом конечных разностей позволяет рассчитывать кривые охлаждения и нагрева, скорости изменения температуры, структурные и термические временные и остаточные деформации и макронапряжения в различных зонах изделий. Для определения теплофизических констант материала и коэффициентов теплоотдачи различных сред, в которых производится нагрев или охлаждение, а также для проверки результатов расчета по разработанной модели, были проведены эксперименты с записью кривых охлаждения и нагрева плит и прутков из титановых сплавов ВТ23 и ВТ22 при различных видах термической обработки. Проведенные исследования показали хорошее совпадение расчетных и экспериментальных данных (относительная ошибка не превышала 5%).

Используя эти данные совместно с диаграммами "фазовый состав - температура нагрева - скорость охлаждения", можно определить изменение структуры исследуемого сплава по сечению полуфабриката и оценить конечный уровень его механических свойств после старения. Для заданного уровня свойств крупногабаритных полуфабрикатов или изделий из сплавов ВТ23 и ВТ22 (максимально допустимого разброса механических свойств по сечению, минимально допустимого уровня относительного удлинения или ударной вязкости и т.д.), были разработаны режимы упрочняющей термической обработки, обеспечивающие максимальный уровень прочностных свойств при отсутствии остаточных макронапряжений и минимальном 26

уровне микронапряжений. По результатам проведенных исследований построены номограммы для выбора режимов термической обработки в зависимости от толщины плит из сплавов ВТ23 и ВТ22 при разбросе условного предела текучести и временного сопротивления разрыву по сечению, не превышающем 50 МПа, и микронапряжениях до 100 МПа.

Использование разработанных технологических рекомендаций позволило повысить уровень прочности крупногабаритных полуфабрикатов и изделий из высокопрочных титановых сплавов на 100-150 МПа по сравнению с отжигом. Рекомендации были использованы в НПО "Энергия" и ГНЦ ВИЛМ при производстве образцов новейшей авиакосмической техники.

ГЛАВА IV. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ЭФФЕКТА ЗАПОМИНАНИЯ ФОРМЫ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ТИТАНА.

Исследования, результаты которых обобщены в главе II, показали, что для наиболее полного формоизменения при деформации образцов из титановых сплавов без образования дефектов кристаллического строения, необратимых при обратном мартенситном превращении, должны выполняться следующие условия:

- структура образцов должна быть представлена двойникованным а мартенситом максимальной степени легирования р- стабилизаторами и/или механически нестабильной Р-фазой минимальной степени легирования Р-стабилизаторами;

- в структуре образцов не должны содержаться охрупчивающие фазы, такие как со-фаза или 6-гидрид;

- напряжения, необходимые для развития пластической деформации по механизму скольжения должны превышать напряжения двойникования и мартенситного превращения;

- пластическая деформация образцов не должна превышать кристаллографически обратимую деформацию мартенситного превращения.

Проведенные исследования влияния системы и степени легирования, термической обработки, схемы и степени деформации, условий нагрева показали, что максимальная величина восстановленной деформации(3,6% - при растяжении; 2,5% -при сжатии; 5,5% - при изгибе; 4,2% - при кручении) достигается в сплавах титана, легированных Р-изоморфными стабилизаторами (V, Мо) до концентрации СЛР, в которых после охлаждения от температур р-области со скоростями выше у!кр

формируется р-фаза минимальной степени легирования. Для предотвращения образования при охлаждении со-фазы, препятствующей накоплению деформации за счет мартенситного превращения, эти сплавы должны быть дополнительно легированы от 5 до 10% А1. Кроме того, в этих сплавах некоторая часть р-изоморфных стабилизаторов может быть заменена эквивалентным количеством р-эвтектоидных стабилизаторов (Сг, Ре). Это способствует повышению напряжений, при которых механизм накопления деформации меняется с мартенситного на скольжение. Поэтому сплавы, дополнительно легированные р-эвтектоидными стабилизаторами, можно деформировать до больших степеней без образования кристаллографически необратимых дефектов. Оптимальным с точки 'зрения максимальной величины восстанавливаемой деформации является сплав "П-5А1-10У-1Сг. По химическому составу к этой композиции наиболее близки промышленные сплавы ВТ16, ВТ22, ВТ22И, ВТ23 (Россия), "Л-10-2-3 (США), в которых можно ожидать высоких характеристик ЭЗФ.

Исследования влияния исходной структуры, термической обработки, схемы и степени деформации и условий нагрева на характеристики ЭЗФ - температуры начала и конца восстановления формы (Анв , А*") восстановленную степень деформации (ев), реактивные напряжения (сгр) и удельную работу восстановления формы (а>'Е) -позволили установить следующие закономерности:

1) наиболее высокие характеристики ЭЗФ (е„, «тр, аЧ) наблюдаются в сплавах переходного класса ВТ22И, ТИО-2-3; в сплаве ВТ22 ЭЗФ наблюдается только в тех плавках (в пределах марочного состава), в которых коэффициент р-стабилизации не превышает 1,2;

2) в сплавах мартенситного класса ВТ16, ВТ23 максимальные характеристики ЭЗФ достигаются после охлаждения с критической температуры со скоростью выше

для этих сплавов величину А„» и А*8 можно изменять температурой нагрева под закалку в (а+Р)-области;

3) для повышения величины восстановленной степени деформации сплавы мартенситного класса необходимо предварительно нагревать в р-области (Асз + 30°С) и охлаждать до критической температуры со скоростью не выше у2кр;

4) в сплавах переходного класса развиваемые реактивные напряжения могут частично или полностью релаксировать при охлаждении до нормальной температуры за счет развития мартенситного превращения под действием напряжений; в сплавах мартенситного класса релаксация <тр не наблюдается при охлаждении до температур жидкого азота, вследствие присутствия в структуре большой объемной доли первичной 28

а-фазы, повышающей напряжения, необходимые для реализации мартенситного превращения выше уровня реактивных напряжений (рис.5);

5) при нагреве предварительно деформированных образцов титановых сплавов выше 300°С реализуются "вторичные" эффекты запоминания формы, обусловленные распадом Р-фазы по диффузионному механизму и образованием промежуточных структур с кристаллографической ориентацией фаз в соответствии с направлением предварительной деформации (см. главу II). После реализации "классического" ЭЗФ за счет обратного мартенситного а"->(3 превращения образцы восстанавливают исходную форму; диффузионный распад р-фазы с образованием а"-фазы приводит к тому, что образцы приобретают форму, которую они имели после деформации, реализуется обратный эффект запоминания формы. Приближение к температуре Асз вызывает растворение ориентированной а"(а)-фазы в Р-фазе, что приводит к повторному восстановлению исходной формы образцов. Величина и температуры проявления вторичных ЭЗФ зависят от степени деформации и условий нагрева образцов (см.рис.5).

Использование титановых сплавов с ЭЗФ взамен применяемых в настоящее время сплавов на основе никелида титана возможно только при определении типа конструкций, в которых недостатки титановых сплавов (малая восстанавливаемая деформация, широкий температурный интервал формоизменения) будут полностью компенсироваться их достоинствами (высокие реактивные напряжения восстановления формы, простые технологические возможности изменения температур формоизменения и т.п.). Кроме того, для повышения экономической эффективности применения титановых сплавов с ЭЗФ целесообразно на первых этапах их внедрения в практику использовать промышленные конструкционные сплавы, технология получения и обработки которых уже хорошо отработана на многих предприятиях.

Проведенный анализ работы различных устройств, использующих материалы с ЭЗФ, показал, что титановые сплавы можно применять в двух типах конструкций. Во-первых, в термодатчиках однократного срабатывания, которые восстанавливают форму без противодействия при достижении заданной температуры (например, пожарные термодатчики). В этом случае температуру срабатывания датчика можно изменять технологическими приемами обработки титановых сплавов (подбором режимов высоко- и низкотемпературной термической обработки). Для принципиально новых типов термодатчиков, которые должны реагировать на время пребывания при повышенных температурах, может использоваться ЭЗФ,

проявляющийся при распаде р-фазы по промежуточному механизму (см. Главу II). В

Рис. 5. Изменение величины восстановленной степени деформации (ев) при нагреве со скоростью 10 (1); 0,6 (2); 0,1 К/с (3) (а) и величины реактивных напряжений (ар) при нагреве и охлаждении (б) деформированных на 5% образцов из сплавов ТН1, ТН1К и ВТ16.

этом случае чувствительный элемент датчика будет изменять форму в зависимости от интегрального времени пребывания при различных температурах без учета того, был ли это однократный или многократный нагрев. Такие датчики позволят регистрировать условия работы конструкций, которые эксплуатируются в нестационарных тепловых режимах, и автоматически предупреждать об опасных ситуациях (тепловая усталость конструкции и т.п.).

Разработанные технологические способы позволяют управлять характеристиками ЭЗФ титановых сплавов в широких пределах (таблица 1) и защищены патентами РФ (№4 1419179,1637361).

Таблица 1

Характеристики ЭЗФ титановых сплавов

Сплав Обработка Характеристики ЭЗФ

Температуры восстановления, °С Восстанавливаемая деформация,* %

Ti-10Al-12V-lCr 880°С; 0,5 час; вода 120-180 3,5-3,8

880°С; 0,5 час; вода; 350°С; 0,1 час; вода 400-500 2,5-2,7

ВТ16 800°С; 1 час; вода 200-280 2,5-3,2

770°С; 1,5 часа; вода 120-210 2,2-3,0

730°С; 2 час; вода 50-180 1,5-2,0

800°С; 1 час; вода 350°С; 0,1 час; вода 400-550 1,5-1,8

ВТ22И 860°С; 1 час; вода 100-170 3,3-3,6

800°С; 1 час; вода 300°С; 0,1 час; вода 350-500 2,1-2,4

* предварительная деформация растяжением на 3-6%

Второй тип конструкций, в которых могут быть применены титановые сплавы с ЭЗФ — это термомеханические соединения. В этом типе конструкций материал, обладающий ЭЗФ, должен развивать высокий уровень реактивных напряжений при восстановлении формы в условиях противодействия. Примером таких конструкций могут служить муфты для сборки трубопроводов, которые обеспечивают надежное герметичное соединение труб и облегчают монтаж в труднодоступных местах. В мире накоплен более чем 10-летний опыт эксплуатации таких соединений муфтами из сплава

на основе никелида титана. Однако стоимость такого материала очень высока (от 800 до 1200 долларов США за кг), а технология соединения включает необходимость деформации муфты и сс хранения до сборки при температурах жидкого азота.

Были проведены экспериментальные исследования влияния технологических и эксплуатационных факторов на развитие и релаксацию реактивных напряжений восстановления формы титановых сплавов. Показано, что наилучшим комплексом свойств, соответствующим условиям работы тсрмомеханических соединений, обладают промышленные титановые сплавы мартенситного класса типа ВТ16, ВТ23. Эги сплавы после закалки с критической температуры имеют двухфазную а+р-структуру, в которой Р-фаза является механически нестабильной и претерпевает мартенситное превращение при деформации на 5-6%. При последующем нагреве в интервале 120-250°С происходит восстановление до 3% накопленной степени деформации. В условиях противодействия восстановлению формы развиваются реактивные напряжения до 250 МПа. Наличие в структуре этих сплавов первичной а-фазы хотя и снижает величину восстанавливаемой деформации, но способствует повышению предела текучести сплава, а как следствие и уровня реактивных напряжений. Кроме того первичная а-фаза затрудняет развитие мартенситного превращения при охлаждении в области отрицательных температур, вплоть до жидкого азота, что препятствует релаксации реактивных напряжений. Это позволяет проводить деформацию (дорнование) термомеханических соединений из титановых сплавов и их хранение при нормальной температуре, что значительно упрощает и удешевляет сборку по сравнению со сплавами на основе никелида титана.

В работе разработаны технологии обработки термомеханических соединений из титановых сплавов мартенситного класса (защищены патентом Р Ф № 1154967) и сборки трубопроводов из различных материалов муфтами из сплава ВТ23. Опытное опробование этой технологии в ЛКИ и КБ "Машиностроение" показало, что муфты из сплава ВТ23 могут успешно применяться для сборки медных, титановых и стальных трубопроводов с внешним диаметром 22 и 38 мм, предназначенных для эксплуатации при давлении до 20 атмосфер. Стоимость такого соединения в 20 раз ниже по сравнению с соединением муфтой из никелида титана.

ГЛАВА V. ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ВОДОРОДНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ И ОБРАБОТКИ ПОЛУФАБРИКАТОВ И ИЗДЕЛИЙ ИЗ КОНСТРУКЦИОННЫХ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СПЛАВОВ ТИТАНА.

Легирование титановых сплавов водородом является эффективным технологическим способом управления структурно-фазовым состоянием сплава и комплексом его технологических и эксплуатационных свойств. Многие фундаментальные и прикладные вопросы взаимодействия водорода с титаном и создания водородных технологий его обработки достаточно полно изложены в работах Колачева Б.А., Ильина A.A., Носова В.К. и др. Однако возможность использования легирования водородом для реализации высокоэффективных технологических процессов холодной деформации высокопрочных конструкционных титановых сплавов и управления специальными свойствами функциональных материалов требуют дальнейших исследований. В данной главе изложены результаты исследования влияния легирования водородом конструкционных и функциональных сплавов титана на изменение их фазового состава, структуры и свойств при термической обработке и пластической деформации и результаты создания на основе полученных закономерностей новых технологических процессов получения полуфабрикатов и изделий с высоким уровнем эксплуатационных свойств.

Титановые сплавы, за исключением технического титана и некоторых сильно легированных ß-сплавов, обладают низкой технологической пластичностью при нормальной температуре. Однако технический титан имеет низкие прочностные характеристики, а ß-сплавы — высокую стоимость. Среднелегированные (a+ß) сплавы подвергаются горячей деформации при температурах 1100-800°С, что требует сложного и дорогостоящего оборудования и снижает коэффициент использования металла за счет необходимости удаления значительного газонасыщенного слоя. При нормальной температуре их пластичность невелика, что не позволяет получать из них некоторые виды полуфабрикатов (тонкий лист, фольгу, проволоку) и применять экономичные методы изготовления изделий холодной штамповкой, гибкой и т.п.

Обратимое легирование водородом было использовано для повышения

пластичности при холодной деформации высокопрочных титановых сплавов

переходного класса ВТ22И (Россия), Ti-10-2-3 (США). Проведены исследования

влияния режимов наводороживания, термической обработки, пластической

деформации и окончательного вакуумного отжига на их структуру и свойства.

Легирование этих сплавов водородом позволяет снизить температуру Асз и

критические скорости охлаждения. В результате этого ß-фаза в наводороженных

сплавах приобретает достаточную термическую стабильность и не претерпевает

распад с образованием охрупчивающих фаз (а", и) на всех технологических этапах

33

обработки изделий (горячая деформация, отжиг для снятия напряжений и т.п.). При холодной деформации р-фаза остается механически стабильной и формоизменение происходит только по механизму скольжения. Это обеспечивает сплавам высокую технологическую пластичность при прокатке, позволяющую получать качественную фольгу толщиной менее 0,1 мм из плиты толщиной до 10 мм без проведения промежуточных отжигов.

Для проведения операций холодной штамповки деталей из водородсодержащего тонкого листа его необходимо подвергнуть рекристаллизационному отжигу, восстанавливающему запас пластичности сплава и устраняющему текстуру холодной деформации. Проведенные исследования позволили найти оптимальные режимы отжига (630-650°С, выдержка 1 час), обеспечивающие низкое сопротивление деформации (со,2 < 700 МПа) и высокую пластичность (5 > 12%; у > 75%). По характеристикам штампуемости ( коэффициент вытяжки свыше 1,8; коэффициент отбортовки более 1,5; радиус изгиба менее 4,5 толщин листа) водородсодержащие высокопрочные сплавы близки к техническому титану и значительно превосходят аналогичные характеристики высокопрочных сплавов, обработанных по стандартной технологии.

Удаление водорода из готового изделия проводится путем вакуумного отжига, который может быть совмещен с последующим старением. В зависимости от поставленной задачи можно получить высокий уровень прочности (а«> 1250 МПа) при удовлетворительной пластичности (5 > 6%) или высокую пластичность (б ~ 12-+ 15%) при средней прочности (а„» 950-980 МПа), таблица 2.

Таблица 2

Механические свойства листа толщиной 1 мм из сплава ВТ22И, полученного по

водородной технологии.

Режим обработки Концентрация водорода, ат.% / масс.% Механические свойства

ов; МПа 00.2; МПа 8,% у,% Угол загиба, град

P.O.* 650°С; 1 час; воздух 15/0,3 750 680 18 75 >180

В.О.** 650°С; 5 час.; печь 0,3/0,005 850 820 16 65 120

В.О. 740°С; 2 час; печь 500°С; 6 час.; воздух 0,3/0,005 980 950 14 60 100

В.О. 800°С; 1 час; печь 450°С; 8 час.; воздух 0,3/0,005 1260 1240 6 52 90

* P.O. - рекристаллизационный отжиг;

** В.О. - вакуумный отжиг.

На основании проведенных исследований разработана технология получения изделий типа сфера, которая включает наводороживание сутунки, ее горячую деформацию при температуре 650°С прокаткой до толщины плиты 8 н- 10 мм и дальнейшую холодную прокатку до требуемой толщины (2 1мм). Холоднокатанные листы подвергают рекристаллизационному отжигу и последующей холодной штамповке готового изделия. Окончательной операцией является ступенчатый вакуумный отжиг при температурах 800 и 450°С, обеспечивающий удаление водорода до концентрации (0,3 ат.% или 0,005 масс.%), безопасной с точки зрения водородной хрупкости. При этом формируется микроструктура, обеспечивающая предел прочности не менее 1250 МПа и относительное удлинение не менее 6%. Разработанная технология была успешно опробована в ГНЦ ВИАМ.

Термоводородная обработка конструкционных титановых сплавов предусматривает в качестве окончательной операции вакуумный отжиг. Для изделий из функциональных сплавов (сверхпроводников, материалов с эффектом запоминания формы), которые эксплуатируются при напряжениях, значительно меньших предела текучести, вакуумный отжиг может не проводиться. При этом водород рассматривается как постоянный легирующий элемент, оказывающий положительное влияние на комплекс технологических и специальных свойств сплавов. В этой главе рассмотрены примеры такого использования термоводородной обработки.

Для получения многожильных сверхпроводящих кабелей с высокими токонесущими свойствами сверхпроводник должен подвергаться значительной пластической деформации прокаткой или волочением с коэффициентом вытяжки до 10б с целью формирования в сплаве ячеистой структуры. Для обеспечения требуемой пластичности серийный сплав НТ50 легирован от 30 до 40 ат.% ЫЬ, что обусловливает его высокий удельный вес и стоимость. Применение для изготовления кабелей сверхпроводящих сплавов с пониженным содержанием ниобия (20-25% ЫЬ) невозможно из-за их низкой пластичности. Низкая пластичность таких сплавов обусловлена образованием при термической обработке и деформации а"- и со -фаз, вызывающих охрупчивание. Однако, как показано в главе II, введение в такие сплавы водорода позволяет обеспечить термическую и механическую стабильность р-фазы и значительное увеличение пластичности сплава. При этом удаления водорода на последней стадии изготовления кабеля не требуется, так как водород не снижает сверхпроводящие свойства сплава, а механические нагрузки при эксплуатации изделия либо значительно ниже тех, которые могут привести к разрушению, либо снимаются конструктивными элементами (бандажные кольца и т.п.).

Разработан состав нового сверхпроводящего сплава "П-21,5><(Ь-15Н, защищенный патентом РФ № 54967, и технология его получения и обработки, которая прошла опытно-промышленное опробование в КБ "Горизонт" при изготовлении многожильного сверхпроводящего кабеля. Проведенные исследования показали, что по сверхпроводящим свойствам (таблица 3) и технологичности новый сплав не уступает промышленному НТ50, но содержит в 1,5 раза меньше дефицитного ниобия и имеет на 14-17% меньшую плотность.

Таблица 3.

Свойства многожильных сверхпроводящих кабелей из промышленного

сплава НТ50 и нового водородсодержащего сплава системы 'П-МЬ-Н.

Сплав Содержание легирующих элементов, ат.% Критическая плотность тока в магнитном поле с индукцией 3 Тл, А/мм2 Плотность, кг/м1

№ Н

ТШЬ-Н 20-25 12- 18 (2,5 - 3,3) х 103 5200 - 5500

НТ50 30-40 0,3 (2,5 - 3,2) х 103 5970-6100

В работе предложены способы использования легирования водородом для повышения величины восстановленной деформации при реализации ЭЗФ в малолегированных титановых сплавах мартенситного класса, таких как ВТ6, ВТ16, ВТ23 и др. Проведенные исследования показали, что при содержании водорода 15 ат.% (0,3 масс.%) в сплавах ВТ16 и ВТ23 и 25 ат.% (0,5 масс.%) в сплаве ВТ6 их структура после охлаждения от температур (3-области представлена механически нестабильной р-фазой, которая при нагружении практически полностью переходит в а"- мартенсит. Водород, образуя атмосферы Котрелла на дислокациях, увеличивает напряжения, необходимые для начала деформации по механизму скольжения. Кроме того, увеличение объемной доли механически нестабильной р-фазы при легировании водородом способствует накоплению значительной деформации без образования необратимых дефектов кристаллического строения, что приводит к повышению величины восстанавливаемой деформации при нагреве. Поэтому дополнительное легирование водородом сплавов мартенситного класса позволяет на 30-50% повысить величину восстанавливаемой степени деформации при реализации ЭЗФ. Водородсодержащие сплавы мартенситного класса могут быть успешно использованы в однократно срабатывающих термодатчиках и трансформирующихся конструкциях.

Технология обработки титановых сплавов с ЭЗФ, легированных водородом, защищена патентом РФ№ 1637361.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Установлено влияние системы и степени легирования модельных и промышленных титановых сплавов, температуры нагрева при термической обработке на закономерности фазовых превращений при охлаждении с различными скоростями и формирование фазового состава и структуры. Для практического использования установленных закономерностей разработаны новые типы диаграмм: "фазовый состав - химический состав - скорость охлаждения" для модельных двойных и тройных сплавов( ТМЧЬ, ТьУ, П-Сг, ТЬА1-У, ТьМЬ-Н) и "фазовый состав -температура нагрева - скорость охлаждения) для промышленных (а+р) сплавов (ВТ6, ВТ16, ВТ22, ВТ23, ВТЗО, ТМО-2-3). Показано, что в интервале скоростей охлаждения от у'кр до у2кр распад р-фазы протекает по промежуточному механизму: контролируемые диффузией процессы подготовки мест зарождения в исходной фазе, бездиффузионный (мартенситный) механизм образования зародышей новых фаз и их диффузионный рост. В результате реализации промежуточного механизма превращения формируются структуры с неоднородным химическим составом фаз (Рн, Р(о))н, а"н, а„). Введено понятие третьей критической скорости охлаждения (1>3кр), при которой наблюдается максимальная химическая микронеоднородность фаз.

2. Установлена взаимосвязь структуры, формирующейся в результате превращения Р-фазы в процессе охлаждения титановых сплавов, с уровнем механических свойств. Показано, что при охлаждении со скоростями выше и ниже 1,2кР уровень свойств не зависит от скорости охлаждения и определяется химическим составом сплава, а также природой метастабильных фаз в первом случае (у>г|кр) и соотношением объемных долей равновесных а и р-фаз во втором (у<г2кр). При снижении скорости охлаждения в интервале у'цр - 1>\ф и, соответственно, с увеличением химической микронеоднородности образующихся фаз возрастает степень дисперсности продуктов распада высокотемпературной (5-фазы, что вызывает повышение прочностных и уменьшение пластических характеристик сплавов. В интервале 1,3кр-у2кр химическая неоднородность фаз и дисперсность продуктов распада уменьшаются, что приводит к снижению прочностных и повышению пластических характеристик.

3. При легировании водородом сплавов системы Ть1ЧЬ, содержащих от 6 до 18 ат.% МЬ, впервые была обнаружена новая гидридная фаза состава (Т1; №)1-хНх (х«0,5) с ОЦТ кристаллической решеткой, отношение с/а в которой изменяется от 1,14 до 1,02 с увеличением концентрации ниобия. При образовании гидридной фазы исходная р-фаза обедняется водородом и претерпевает бездиффузионные превращения в соответствии с содержанием в ней ниобия. При холодной пластической деформации сжатием в сплавах, легированных до 12% Мэ, ОЦТ гидрид превращается в ГЦК-гидрид (й-фазу), а в сплавах, содержащих свыше 14% №>, — в р-фазу.

4. Установлены закономерности распада метастабильных фаз при нагреве и старении титановых сплавов. Для практического использования результатов исследований предложены диаграммы: "фазовый состав — химический состав — температура нагрева", "фазовый состав - химический состав - время старения" для модельных сплавов, охлажденных от температур р-области со скоростью свыше у'кр, и "фазовый состав — температура закалки — температура непрерывного нагрева", "фазовый состав — температура закалки — время старения" для промышленных сплавов. Эти диаграммы показывают температурно-временные условия реализации бездиффузионного и промежуточного механизма распада метастабильных фаз, а также условия формирования неоднородных по химическому составу фаз или равновесных а- и р-фаз.

5. Установлены закономерности влияния структуры, образовавшейся в процессе высокотемпературной термической обработки, на структуру и уровень механических свойств, формирующиеся при последующем нагреве и старении титановых сплавов. Показано, что, если при высокотемпературной обработке охлаждение проводилось со скоростью, большей , то при последующем нагреве полностью или частично происходит обратное мартенситное превращение, и в результате последующего старения формируется наиболее дисперсная структура, обеспечивающая максимальные прочностные свойства. Если скорость охлаждения была ниже \\9, то при последующем старении наблюдается минимальный эффект упрочнения. За счет снижения температуры нагрева при высокотемпературной обработке в (а+Р) -области и соответствующего уменьшения у3*р можно добиться таких условий, при которых применяемый тип охлаждающей среды (воздух, охлаждение с печью) обеспечит охлаждение со скоростью V > 1,3кр и максимальное упрочнение при последующем старении (по сравнению с охлаждением в той же среде с более высокой температуры).

6. На основании проведенных исследований установлены закономерности реализации различных механизмов (мартснситного превращения, двойникования, скольжения) пластической деформации титановых сплавов при нормальной температуре. Разработана математическая модель, позволяющая рассчитывать кристаллографически обратимую деформацию, накапливаемую за счет мартенситного превращения и двойникования в текстурированных и бестекстурных поликристаллах. Установлена роль мартенситного превращения в формоизменении титановых сплавов. Показано, что образование на начальных этапах пластической деформации мартенситных фаз с низкой симметрией кристаллической решетки и наличие межфазных границ затрудняет развитие процессов скольжения и приводит к значительному деформационному упрочнению и снижению пластичности сплавов.

7. Исследовано влияние водорода на механизм холодной пластической деформации р-фазы титановых сплавов. Показано, что водород, повышая механическую стабильность р-фазы, препятствует формоизменению за счет мартенситного превращения и двойникования, способствуя развитию процессов скольжения в ОЦК решетке. Образуя примесные атмосферы на исходных дислокациях, водород приводит к значительному повышению стартовых напряжений, необходимых для их движения. В то же время водород снижает напряжения скольжения дислокаций, образующихся в процессе деформации. Это приводит к образованию значительного зуба текучести при испытании сплавов на сжатие и к локализации деформации при растяжении. Установлены концентрации водорода и степени деформации, приводящие к образованию гидридов. Определены концентрационные области и деформационные условия реализации различных механизмов пластической деформации.

8. Показано, что при нагреве образцов из титановых сплавов со структурой механически нестабильной р-фазы, деформированных со степенью до 8%, происходит реализация трехстадийного эффекта запоминания формы. Первая стадия, при температурах 80-300°С, связана с развитием обратного мартенситного превращения и приводит к восстановлению исходной формы; вторая стадия, при температурах 350-550°С, обусловлена распадом метастабильной р-фазы с образованием а-образных продуктов, ориентированных в соответствии с направлением исходной деформации, что вызывает возвращение к форме, характерной для состояния после деформации; третья стадия, при температурах вблизи Асз, вызвана растворением а-фазы при переходе в Р-областъ и определяет повторное восстановление исходной формы.

9. На основе результатов математического моделирования и экспериментальных исследований разработана технология упрочняющей термической обработки плит и прутков из высокопрочных титановых сплавов ВТ22 и ВТ23. Построены номограммы, позволяющие проводить выбор оптимальных режимов обработки (температуры нагрева и типа охлаждающей среды, температуры и времени старения) в зависимости от габаритных размеров полуфабриката, обеспечивающих максимально возможный уровень прочности при сохранении удовлетворительной пластичности, однородности свойств по сечению, отсутствия остаточных макронапряжений и поводок. Технология обеспечивает повышение временного сопротивления разрыву на 100-150 МПа по сравнению со стандартными режимами термической обработки.

Ю.Исследовано влияние системы и степени легирования, структуры, условий деформации и нагрева на реализацию ЭЗФ титановых сплавов. Определены типы конструкций, в которых сплавы титана могут экономически эффективно заменить сплавы на основе никелида титана. Разработана технология обработки изделий из титановых сплавов мартенситного и переходного класса, обеспечивающая максимальный уровень характеристик эффекта запоминания формы. В зависимости от эксплуатационных требований восстановление формы может быть реализовано в интервале температур 80-300°С (прямое восстановление формы) или 350-600°С (обратное восстановление формы).

Постановлено влияние дополнительного легирования водородом на фазовый состав, структуру и свойства функциональных сплавов титана с р-стабилизаторами. Разработан новый сверхпроводящий сплав Т1-21,5М)-15Н, технология его получения и обработки, а также технология изготовления из него многожильных сверхпроводящих кабелей. По сравнению с серийным сплавом НТ50 новый сплав содержит в 1,5 раза меньше дефицитного ниобия, имеет на 14-17% более низкий удельный всс при сохранении высокой технологичности и уровня сверхпроводящих свойств. Разработана технология обработки сплавов мартенситного класса, включающая дополнительное легирование водородом и закалку и позволяющая в 1,5 раза повысить величину восстанавливаемой деформации при реализации эффекта запоминания формы.

12.Исследовано влияние обратимого легирования водородом на фазовый состав, структуру и свойства высокопрочных титановых сплавов переходного класса. Разработана технология термоводородной обработки сплавов ВТ22И (Россия) и Л-10-2-3 (США), позволяющая за счет легирования водородом значительно улучшить их технологические свойства при нормальной температуре и заменить

горячую деформацию на теплую и холодную. Это открыло перспективу получения новых видов полуфабрикатов из этих сплавов (тонкий лист, фольга, проволока), а также применения экономичных методов получения из них готовых изделий (например, холодная штамповка и т.п.). Технология окончательной термической обработки, включающая вакуумный отжиг для удаления водорода, позволяет обеспечить широкий спектр механических свойств готовых изделий как с повышенной прочностью (ств>1250 МПа, S>6%), так и с повышенной пластичностью (ств=980 МПа, 8>14%).

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Титановые сплавы. Металловедение титана и его сплавов / Белов С.П., Брун М.Я., Глазунов С.Г., Ильин A.A., Колачев Б.А., Коллеров М.Ю. и др. - М.: Металлургия, 1992. - 352с.

2. Назимов О.П., Ильин A.A., Коллеров М.Ю. О состоянии водорода в титане. // Журнал физической химии, т. LIV, N11, 1980, с.2774-2777

3. Ильин A.A., Коллеров М.Ю., Алексеев В.В. Влияние режимов термической обработки на эффект запоминания формы в титановом сплаве ВТ23. - В кн.: Новые конструкционные стали и сплавы и методы их упрочнения. М., МДН'ГП, 1984, с.127-131

4. Ильин A.A., Назимов О.П., Коллеров М.Ю., Засыпкин В.В. Исследование объемных изменений в сплаве ВТ23 при нагреве. // Известия ВУЗов. Цветная металлургия N 3, 1984, с. 87-91

5. Ильин A.A., Коллеров М.Ю., Алексеев В.В., Скворцова C.B. Влияние фазового состава и структуры на эффекты неупругого поведения сплавов на основе титана. // Известия ВУЗов. Цветная металлургия N 3, 1985, с.97-104.

6. Nazimov O.P., Livanov V.A., Ilyin A.A., Kollerov M.Y.Electronic structure, Physical properties and Stability of Phase of Titanium and alloys. // Titanium (siens and Tehnology) Proceedings of the 5th International conference on Titanium Munich, September 10-14, 1985, p.p.1451-1458

7. Ильин A.A., Коллеров М.Ю., Майстров B.M., Засыпкин В.В. Объемные изменения происходящие в титановых сплавах при полиморфном превращении. // Металловедение и термическая обработка металлов N 1, 1986, с.52-56

8. Ильин A.A., Коллеров М.Ю., Экимян М.Г., Майстров В.М. Влияние температуры нагрева на критическую скорость охлаждения промышленных (а + р)-титановых сплавов. II Авиационная промышленность N5,1986, с.46-48

9. Ильин A.A., Коллеров М.Ю., Засыпкин В.В., Майстров В.М. Исследование химического состава и свойств а- и ß-фаз титанового сплава ВТ23. - В кн.: Авиационные материалы N 1, ВИАМ, ОНТИ, 1986, с.21-28

Ю.Ильин A.A., Коллеров М.Ю., Засыпкин В.В., Экимян М.Г. Формирование напряжений 1 рода в полуфабрикатах из титановых сплавов при нагреве. - В кн.: Авиационные материалы N 1, ВИАМ,ОНТИ, 1986, с.16-21

11.Коллеров М.Ю., Скворцова C.B., Ильин A.A. Эффект запоминания формы в титановых сплавах. - В кн.: Повышение качества, надежности и долговечности изделий из конструкционных, жаропрочных и инструментальных сталей и сплавов. Л..ЛДНТП, 1986, с.58-63

12.Ильин A.A., Коллеров М.Ю. Об объемных эффектах полиморфного превращения в титановых сплавах. //Доклады АН СССР, т.289,N 2,1986, с.396-400

1 З.Ильин A.A. , Коллеров М.Ю., Майстров В.М., Староверов А.Г. Изменения уровня микронапряжений в ß -фазе закаленных титановых сплавов ВТ23 и ВТ22 при непрерывном нагреве и старении. // Известия ВУЗов. Цветная металлургия N 2, 1987,с.93-97

Н.Ильин A.A., Коллеров М.Ю., Экимян М.Г., Алексеев В.В. Влияние температуры нагрева и скорости охлаждения на фазовый состав сплава ВТ23. // Металловедение и термическая обработка металлов, N 3, 1987, с.60-63

15.Коллеров М.Ю., Экимян М.Г., Ильин A.A., Филиппов Ю.Н. Термическая обработка крупногабаритных полуфабрикатов из высокопрочных титановых сплавов. - В кн. Прогрессивные технологические процессы термической обработки деталей машин и инструмента. Ижевск, октябрь 1987, с.38-39

16.11yin A.A., Kollerov M.Y, Ekimjan M.G. Diagrams of Titanium alloys phase. Comprsition after High-Temperature Thermic Treatment. // Sixth world Conference on Titanium Cannes, June, 6-9, 1988, Société Française de Metallurgie Abstract, v.42 p.360

17.Коллеров М.Ю., Федулов В.Н., Хорев А.И., Ильин A.A., Булгакова С.Г. Влияние температуры нагрева и типа охлаждающей среды на скорость охлаждения и формирование фазового состава крупногабаритных заготовок из сплава ВТ23 различной толщины. // Авиационная промышленность N8, 1988, с.54-56

18.Хорев А.И., Ильин A.A., Коллеров М.Ю., Экимян М.Г. Влияние температурно-скоростных условий охлаждения на фазовый состав и свойства титанового сплава ВТ23. // Вопросы авиационной науки и техники. Серия Авиационные материалы N1, 1988, с. 41-45.

19.Коллеров М.Ю., Скворцова С.В., Ильин А.А. Мартенситные превращения и эффекты неупругого поведения в титановых сплавах. - В кн.: Проблемы металловедения и термической обработки сталей и сплавов. Свердловск, Пермь, 1989, с.5-6

20.A.A.Ilyin S.V., Kollerov M.Y., Scvortsova S.V. Titanium Alloys with shape Memory Effects and their Perspective Technological Application. // Titanium - 1990 Products Applications Prosidings of the Technical.Program from the 1990 international Conference, Published by Titanium Development Association, 1990, v. 11, p.746-754

21.Коллеров М.Ю., Ильин A.A., Ушенип A.B., Будберг А.П. Использование отходов титанового производства для создания сплавов с эффектом запоминания формы. - В кн.: Прогрессивные методы утилизации отходов, ресурсосбережение. Материалы конференции. Л.: ЛДНТП, 1991,с.24-26

22.Коллеров М.Ю., Дмитриев А.А., Ушенин А.В. Влияние термической обработки на характеристики эффекта запоминания формы в сплаве ВТ23. - В кн. Материалы НТС "Новые стали и сплавы, режимы их термической обработки" Л.: ЛДНТП, 1991, с. 73-75

23.Ильин А.А., Майстров В.М., Коллеров М.Ю., Скворцова С.В., Белов С.П. Диаграммы фазового состава закаленных титановых сплавов. // Технология легких сплавов N 2, 1991, с.25-30

24.Ильин А.А., Коллеров М.Ю., Ушенин А.В. Закономерности проявления эффекта запоминания формы в сплавах системы Ti-Al-V. - В сб.: "Новые стали и сплавы, режимы их термической обработки", Л.: ЛДНТП, 1991, с.75-76

25.Ильин А.А., Долбинов Ю.Д., Коллеров М.Ю., Агаркова Е.О. Фазовый состав, структура и свойства сверхпроводящих сплавов системы титан-ниобий-водород. // Материалы I Международного семинара "Металл - водород - 92", Донецк, 1992, ч.1, с.38-39

26.11yin А.А., Nosov V.K., Kollerov M.Y. The hydrogen technology of superconducting composed Materials Titanium-Niobium sistem based Advanced Materials and Processes. //Materials of the Second Sino-RussiaSymposium-XLAN,CHINA, 1993,p.216

27.Коллеров М.Ю., Ильин A.A., Староверов А.Г. Теория и технология упрочняющей термической обработки крупногабаритных полуфабрикатов из титановых сплавов. -В сб. материалов 1-го собрания металловедов России Пенза: ПДНТП, 1993, ч. 1, с. 100-102

28.Ильин А.А., Коллеров М.Ю., Скворцова С.В. Титановые сплавы с эффектом запоминания формы: металловедение, технология и перспективы применения в

технике. - В сб. материалов 1-го собрания металловедов России Пенза: ПДНТП,

1993, 4.1, с.103-105

29.Коллеров М.Ю., Ильин A.A. Материаловедческие и технологические проблемы создания водородосодержащих материалов функционального назначения. // Научно-технический семинар "Водород в металлических материалах", ГКРФ по ВО. М.: МАТИ.1993, с.32-34

30.Ильин A.A., Коллеров М.Ю., Скворцова C.B., Кодичева О.М. Закономерности формирования фазового состава и структуры титановых сплавов при атермическом распаде ß-фазы. - В кн.: Труды I Международной научно-технической конференции по титану стран СНГ "Наука, производство и применение титана в условиях конверсии" М., ВИЛС, т.1, с. 453-463

31.Ильин A.A., Коллеров М.Ю., Шинаев A.A. Влияние водорода на неупругие свойства сплавов на основе титана. - В кн.: Труды I Международной научно-технической конференции по титану стран СНГ "Наука, производство и применение титана в условиях конверсии" М., ВИЛС, т. 1, с. 477-486

32.Ильин A.A., Коллеров М.Ю., Скворцова C.B., Макаренков Д.Ю. Принципы легирования и технология обработки сплавов на основе титана с эффектом запоминания формы. - В кн.: Труды I Международной научно-технической конференции по титану стран СНГ "Наука, производство и применение титана в условиях конверсии" М., ВИЛС, т.1, с.631-641

33.Головин И.С., Коллеров М.Ю., Маркова Г.В., Выхватенко Е.В., Макаренков Д.Ю., Шинаев A.A. Неупругое поведение никелида титана при статическом и циклическом деформировании в широком интервале температур. - В кн.: Демпфирующие материалы. Материалы 7-й Российской научно-технической конференции. Киров,

1994, с.55-57

34.Ильин A.A., Коллеров М.Ю., Добинов Ю.Д., Носов В.К. Высокотехнологичный медицинский сплав на основе системы титан-ниобий для стоматологии и эндопротезирования. - Сб. информационных материалов международной конференции "Благородные и редкие металлы", Донецк, ДГТУ, часть III, с. 80-81

35.Попов A.A., Илларионов А.Г., Ильин A.A., Коллеров М.Ю. Исследование фазовых превращений в закаленных сплавах системы титан-ниобий. // Физика металлов и металловедение, 1994, т.78, в.2, с. 119-125

36.Ильин A.A., Коллеров М.Ю., Мамонов A.M. Научные основы и принципы построения технологических процессов термоводородной обработки титановых сплавов. // Металлы (РАН) N 4,1994, с.157-168

37.Попов А.А., Ильин А.А., Коллеров М.Ю., Илларионов А.Г., Агаркова Е.О. Влияние водорода на структуру и фазовый состав закаленных сплавов системы Ti-Nb. // Металлы (РАН) N 5,1994, с.109-117

38.Ильин А.А., Коллеров М.Ю., Скворцова С.В. Мартенситные превращения и эффекты неупругого поведения в водородосодержащих титановых сплавах. // Металлы (РАН) N 5, 1994, с. 118-125

ЗЭ.Коллеров М.Ю., Ильин А.А., Мамонов A.M. Влияние условий нагрева и охлаждения на термические напряжения и формоизменение полуфабрикатов из титановых сплавов. // Металловедение и термическая обработка металлов №12, 1994 с. 8-10.

40.Попов А.А., Коллеров М.Ю., Ильин А.А., Демаков С.Л., Илларионов А.Г., Агаркова Е.О. О природе х-фазы в сплавах системы Ti-Nb-H. // Металлы (РАН), N6,1995, с.52-58

41.Коллеров М.Ю., Носов В.К., Мамонов С.А., Овчинников А.В., Крастилевский А.А. Влияние водорода на деформируемость титановых сплавов ВТ22 и ВТ22И при нормальной температуре. // Металлы (РАН), N 6,1994, с.95-99

42.11yin А.А., Kollerov M.Y., Makarenkov D.Y., Scvortsova S.V. Prospects of the metallic materials with shape memory effect using in aerospase technique. // LAC'94 international aerospase congress, Moscow, Theory, Application, Technologies. STC "Petrovka", 1995. V.2,p.471-474

43.11yin A.A., Kollerov M.Y., Makarenkov D.Y., A.A.Shinayev . Titanium alloys with shape memory effect. II Proc. of 2nd Pacific Rim Inter. Conf. on Advanced Materials and Processing, Korea, 1995, P. 1679-1684.

44.Ильин A.A., Коллеров М.Ю., Скворцова C.B., Макаренков Д.Ю. Технологические аспекты управления характеристиками восстановления формы полуфабрикатов и изделий из сплавов на основе никелида титана // Технология легких сплавов, 1995, N3, с.20-25.

45.Коллеров М.Ю., Крастилевский А.А., Скворцова С.В., Мамонов С.А. Закономерности формирования структуры и текстуры при холодной деформации водородосодержащего титанового сплава ВТ22И. //1 Международная конференция "Водородная обработка материалов" (ВОМ-95), Донецк, Украина, 1995, с.38

46.1lyin А.А., Kollerov M.Y., Makarenkov D.Y., A.A.Shinayev, Brun M.Ya. Martensitic transformations and shape memory effect in titanium alloys. // 8th World Conf. Titanium'95, International Convention Centre, 22-26 October 1995, Birminghan UK, p.2571-2578

47.11yin A. A., Kollerov M.Y., Mamonov A.M., Krastilevsky A.A., Makarenkov D.Yu. Hydrogen influence on martensitic transformation and shape memory effect in titanium alloys. //Journal de Physique IV,V.5,1995, p.l 145-1150.

48.11yin A.A., Kollerov M.Y., Golovin I.S., Shinaev A.A. The investigation of deformation and damping mechanisms in Ti-50.6wt.%Ni alloy. // Proc. Third International Conference of Intelligent Materials, SPIE Vol.2779. 1996, p.463-468 .

49.Golovin I.S., Kollerov M.Y., Shinaeva E.V. Thestady of microplasticity mechanism in Ti-50wt.%Nb alloy with high hydrogen content // Journal de Physique IV, 1996, p.289-292.

50.Коллеров М.Ю., Шинаев A.A., Скопинский А. Особенности проявления эффекта запоминания формы в титановых сплавах. - В сб. РНТК "Новые материалы и технологии", МАТИ, Москва, 1996, с.12-17

51 .Ilyin А.А., Kollerov M.Y., Nosov V.K., Krastilevsky A.A., Scvortsova S.V, Ovchinnikov A.V. Hydrogen Technology of Semiproducts and Finished Goods Production From High-Strength Titanium Alloys // Procidings of TMS'96 California,USA, 1997. In the book Advances in the science and technology of titanium alloy processing, edited by Weiss, R. Srinivasan, P.J. Bania, D. Eylon, and S.L. Semiatin, p.517-523

52.Golovin I.S., Kollerov M.Y., Ilyin A. A. Hydrogen influence on plastic deformation mechanism of p-titanium alloys of Ti-Nb system //Journal of Alloys and compounds 253254,1997, p.144-147

53.Kollerov M.Y., Krastilevsky A.A., Samsonova M.B., Fedorova L.V. Hydrogen influence on texture forming under hot and cold rolling of high-strength titanium alloys // Proc. 5th European Conference on Advanced Materials and Processes and Aplications, EUROMAT'97,21-23 April 1997, v. 1, p.721 -724

54.11yin A.A., Kollerov M.Y. Titanium alloys: materials and technologies. Advanced alloys with shape memory effect // Korea-Russia Joint Seminar on Composite Technology. Korea Institute of Machinery & Materials Changwon, Korea, May 26-27,1997, p. 199-208

55.11yin A.A, Kollerov M.Y., Krastilevsky A.A., Samsonova M.B. Thermohydrogen Treatment of High Strength Titanium Alloys // Abstracts Second International Aerospace Congress IAC'97, August 31 - September 5, 1997, Moscow, Russia, p.234

56.Ильин A.A., Мамонов A.M., Коллеров М.Ю. Термоводородная обработка - новый вид обработки титановых сплавов // Перспективные материалы, №1,1997, с.5-14

57.Ильин А.А., Коллеров М.Ю. Головин И.С., Шинаев А.А. Исследование механизмов формоизменения при деформации и нагреве титановых сплавов с эффектом запоминания формы //МиТОМ, N4,1998 с. 12-16

58-63.Патенты РФ №№ 1154967, 1244952,1419179.1431353.1637361,2082818.

V,/ ' /

Ю

/р. М-Ъ^яА

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫИ Т ЕХ НОЛО ГИ ЧЕ СКИЙ >¥Н ИВЕРСИТЕТ г: / им. К.Э.ЦИОЛКОВСКОГО (МАТИ)

°> (fb 95

На правах рукописи УДК 669.295:621.78

ti жпся&яп&лявгж^!PKusmtv.■

КОЛЛЕРОВ Михаил Юрьевич

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ КОМПЛЕКСОМ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЛУФАБРИКАТОВ И ИЗДЕЛИЙ ИЗ КОНСТРУКЦИОННЫХ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СПЛАВОВ ТИТАНА

Специальность 05.02.01 - Материаловедение в машиностроении

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант - чл. корр. РАН, проф. д.т.н. Ильин A.A.

Москва 1998 г.

— 2 —

ОГЛАВЛЕНИЕ

Список условных обозначений и сокращений, применяемых в работе....... 5

Введение ......................................................... 7

Глава I. Формирование структуры и свойств титановых сплавов при

термической обработке..................................... 15

1.1. Исследование влияния скорости охлаждения от температур (3-области на фазовый состав, структуру и свойства сплавов системы Тир-стабилизатор..................................

1.2. Влияние дополнительного легирования водородом и алюминием на формирование фазового состава, структуры и свойства сплавов системы Тл-Р стабилизатор при высокотемпературной обработке................................................ 44

1.3. Распад метастабильных фаз титановых сплавов при непрерывном нагреве и старении......................................... 71

1.4. Выводы по главе........................................... 94

Глава И. Влияние пластической деформации при нормальной температуре

на структуру и свойства титановых сплавов................... 96

2.1 Механизм пластической деформации титановых сплавов

системы ТМЧЬ............................................. 99

2.2. Влияние системы легирования на механизм пластической деформации при нормальной температуре, структуру и свойства титановых сплавов......................................... 116

2.3. Формирование структуры и свойств пластически деформированных при нормальной температуре титановых

сплавов при последующей термической обработке............ 132

Выводы по главе........................................... 142

Глава III. Технология термической обработки полуфабрикатов и изделий

из деформируемых конструкционных сплавов титана........... 144

-33.1. Влияние исходной структуры полуфабриката на формирование фазового состава, структуры и свойства титановых сплавов при высокотемпературной термической обработке................. 146

3.2. Формирование фазового состава, структуры и свойств титановых сплавов при низкотемпературной термической обработке....... 161

3.3. Упрочняющая термическая обработка крупногабаритных полуфабрикатов и изделий из высокопрочных титановых сплавов................................................... 186

3.4. Выводы по главе........................................... 205

Глава IV. Технологические методы управления характеристиками эффекта

запоминания формы сплавов на основе титана................. 207

4.1. Исследование влияния системы и степени легирования на характеристики эффекта запоминания формы титановых сплавов................................................... 209

4.2. Влияние термической обработки на характеристики эффекта запоминания формы промышленных сплавов титана............ 227

4.3. Использование титановых сплавов с эффектом запоминания формы в различных типах конструкций взамен сплавов на основе никелида титана........................................... 254

4.4. Выводы по главе........................................... 272

ГЛАВА V. Перспективы применения водородной технологии получения и

обработки полуфабрикатов и изделий из конструкционных и функциональных сплавов титана............................. 274

5.1. Влияние водорода на формирование фазового состава, структуры и свойств промышленных титановых сплавов при термической обработке................................................ 274

5.2. Водородная технология получения и обработки полуфабрикатов и изделий из конструкционных высокопрочных титановых сплавов........................................ 296

5.3. Разработка водородной технологии получения и обработки

функциональных сплавов титана..........................................................315

5.4. Выводы по главе......................................................................................335

VI. Выводы по работе..................................................................................337

Список литературы................................................................................342

VII. Приложение............................................................................................373

7.1. Методика расчета температурных полей, напряжений и деформации в плите................................................................................373

7.2. Акты внедрения и использования результатов работы......................382

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ, ПРИМЕНЯЕМЫХ

В РАБОТЕ.

а\ Асз

Анв, Акв

С г /~<| i

кр, ^ кр, кр

С. Кр

Ми, Мк

о-« г

тт

У'кр, У^кр, У3кр

У, £ Уо, 8о уу, % Ув, £в Унв, 8нв £ср

л

- удельная работа восстановления формы, МДж/м3

- температура а+р-»Р-перехода, °С

- температуры начала и конца восстановления формы, °С

- первая, вторая и третья критические концентрации, соответственно

- концентрация Р-стабилизаторов, выше которой Р-фаза является механически стабильной,%

- коэффициент Р-стабилизации сплава

- температуры начала и конца мартенситного превращения, °С

- внутреннее трение

- температура, °С

- температура образования со-фазы, °С

- скорость охлаждения, К/с

- критические скорости охлаждения, К/с

- скорость нагрева, К/с

- наведенная степень деформации при кручении и растяжении -сжатии, соответственно, %

- остаточная степень деформации при кручении и растяжении -сжатии, соответственно, %

- упругая степень деформации при кручении и растяжении - сжатии, соответственно, %

- восстановленная степень деформации при кручении и растяжении -сжатии, соответственно, %

- невосстановленная степень деформации при кручении и растяжении - сжатии, соответственно, %

расчетная степень деформации формы мартенситного превращения, усредненная для безтекстурного поликристалла, %

- объемный эффект мартенситного превращения, %

V

сттв, атн - «верхний» и «нижний» пределы текучести, соответственно, МПа

сур - реактивные напряжения восстановления формы, МПа

стм - напряжения начала мартенситного превращения при деформации, МПа

Стек - напряжения начала скольжения при деформации, МПа

ст, т - нормальные и касательные напряжения, МПа

т - время, с

удс - демпфирующая способность материала, %

АЗВТ - амплитудная зависимость внутреннего трения

ВО - вакуумный отжиг

МП - мартенситное превращение

ОПФ - обратная полюсная фигура

РО - рекристаллизационный отжиг

СВФ - степень восстановления формы

СУ - сверхупругость

ТВО - термоводородная обработка

ТЗВТ - температурная зависимость внутреннего трения

«Ф-Т-В» - диаграмма «фазовый состав - температура закалки - время

старения»

«Ф-Т-С» - диаграмма «фазовый состав - температура нагрева - скорость

охлаждения»

«Ф-Т-Т» - диаграмма «фазовый состав - температура закалки - температура

непрерывного нагрева» «Ф-Х-В» - диаграмма «фазовый состав - химический состав - время старения»

«Ф-Х-С» - диаграмма «фазовый состав - химический состав - скорость

охлаждения»

«Ф-Х-Т» - диаграмма «фазовый состав - химический состав - температура

непрерывного нагрева» х/п - холодная прокатка

ЭЗФ - эффект запоминания формы

-7-ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Создание новых образцов техники, особенно в авиации и космонавтике, возможно только при разработке материалов, обладающих более высоким комплексом физико-механических свойств по сравнению с традиционными материалами.

Одним из таких материалов, обеспечивающих прогресс техники, является титан и сплавы на его основе. Они обладают высоким комплексом механических свойств, низкой плотностью и отличной коррозионной стойкостью, что предопределяет повышенный интерес к ним авиа-, ракето-, судо- и автомобилестроительных отраслей промышленности. Некоторые сплавы на основе титана обладают особыми функциональными свойствами, такими как сверхпроводимость ("П-40%МЬ)* и эффект запоминания формы (Ть50%№), которые используются при создании принципиально новых конструкций техники.

Однако, несмотря на огромные потенциальные возможности титановых сплавов, их использование в новой технике происходит недостаточно широко. Это вызвано высокой стоимостью производства полуфабрикатов и изделий и необходимостью использования сложного энергоемкого оборудования для их получения и обработки.

Изменение сложившейся ситуации возможно при интенсификации исследований в нескольких направлениях. Во-первых, необходимо создание новых сплавов и технологических процессов, обеспечивающих значительное повышение комплекса физико-механических свойств; во-вторых, необходимо создание экономнолегированных сплавов, которые при сохранении высокого уровня механических и специальных свойств содержат минимум дефицитных элементов; в-третьих, необходима разработка технологических процессов, позволяющих отказаться от сложного и дорогостоящего оборудования и обеспечивающих расширение номенклатуры производимых полуфабрикатов и изделий. Это позволит снизить стоимость готовой продукции из титановых сплавов и повысить их

* Здесь и далее по тексту содержание легирующих элементов приведено в атомных процентах.

конкурентоспособность по сравнению с алюминиевыми сплавами, сталями и композиционными материалами.

Для достижения практически значимых результатов в указанных направлениях необходимо проведение всесторонних исследований для установления закономерностей влияния металлургических и технологических факторов на структуру и свойства, в том числе специальные, сплавов на основе титана. В последние 20 лет было проведено большое количество исследований по отдельным сторонам этой проблемы, которые обобщены в материалах международных конференций по титану и монографиях российских ученых Колачева Б.А., Полькина И.С., Носова В.К., Ильина A.A., Попова A.A. и др. [1-7]. Несмотря на большое количество научных публикаций, многие вопросы по формированию структуры и свойств титановых сплавов остаются открытыми. Это связано как с расширением области применения титановых сплавов, так и с разрабатываемыми в последние годы новыми высокоэффективными технологиями, в частности, термоводородной обработкой, которая позволяет существенно изменять технологические и эксплуатационные свойства титановых сплавов [8-10]. Ее дальнейшее развитие и перспектива внедрения в промышленность обусловливает повышенный интерес к влиянию водорода на механизмы пластической деформации, фазовых и структурных превращений в титановых сплавах, а также к закономерностям формирования их структуры и свойств при удалении водорода путем термической обработки в вакууме. Существенное влияние водорода на специальные свойства титановых сплавов, такие, как сверхпроводимость, эффект запоминания формы, высокое демпфирование, предопределяет необходимость проведения анализа возможности эксплуатации водородсодержащих сплавов.

Кроме того, еще не исчерпаны потенциальные возможности применяемых в настоящее время титановых сплавов и традиционных методов их обработки. Так, например, не решены проблемы упрочняющей термической обработки крупногабаритных полуфабрикатов из титановых сплавов, которые в основном используются в отожженном состоянии, что не позволяет реализовать весь ресурс прочности конструкционных сплавов [2, 11]. Не определены закономерности

проявления эффектов запоминания формы, сверхупругости и демпфирования (а + р)-титановых сплавов, что не позволяет использовать их взамен дорогостоящих сплавов на основе интерметаллида ИМ [12].

Поэтому изучение закономерностей влияния системы и степени легирования, параметров пластической деформации и термической обработки на структуру и свойства титановых сплавов с целью разработки оптимальных составов и технологических процессов обработки сплавов, обеспечивающих формирование высокого комплекса технологических и эксплуатационных свойств при снижении затрат на производство и расширении номенклатуры полуфабрикатов и изделий, является актуальной научной проблемой материаловедения, имеющей практическую значимость для многих отраслей машиностроения.

Цель работы. Разработка высокоэффективных технологических процессов получения и обработки полуфабрикатов и изделий из конструкционных и функциональных сплавов титана на основе установления закономерностей влияния химического состава, термической обработки и пластической деформации на механизмы структурообразования и формоизменения.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- установить закономерности влияния системы и степени легирования, режимов высоко- и низкотемпературной термической обработки на формирование фазового состава, структуры и свойства модельных и промышленных сплавов титана;

- изучить влияние химического и фазового составов на механизм пластической деформации титановых сплавов при нормальной температуре, формирование структуры и изменение свойств при термической обработке холоднодеформированных сплавов;

- определить влияние химического состава, структуры, схемы и степени деформации на закономерности проявления эффекта запоминания формы в сплавах на основе титана и разработать технологию их обработки, позволяющую реализовать требуемый уровень специальных свойств и экономически эффективно использовать титановые сплавы в ряде конструкций вместо сплавов на основе никелида титана;

-10- разработать принципы выбора режимов упрочняющей термической обработки высокопрочных титановых сплавов, позволяющие оптимизировать параметры высокотемпературной и низкотемпературной обработки в зависимости от формы и размеров полуфабрикатов и изделий, особенностей применяемого технологического оборудования;

- разработать принципы использования водорода в качестве основного легирующего элемента в титановых сплавах функционального назначения (сверхпроводящие сплавы, сплавы, обладающие эффектом запоминания формы, высокой демпфирующей способностью и др.), позволяющего существенно изменять технологические и специальные свойства;

- разработать технологию термоводородной обработки высокопрочных титановых сплавов, позволяющую получать из них новые виды полуфабрикатов (тонкий лист, фольгу, проволоку) холодной пластической деформацией и обеспечить высокий уровень механических свойств готовых изделий.

Научная новизна.

1) Исследовано влияние температурно-скоростных и временных параметров высоко- и низкотемпературной термической обработки на закономерности фазовых превращений при охлаждении, непрерывном нагреве, изотермической выдержке и формирование конечной структуры в двойных и тройных модельных сплавах титана, легированных N1), V, А1, Сг, Н, и в промышленных (а+Р) сплавах. Определены критические скорости охлаждения (укр), ограничивающие температурно-временные условия охлаждения, при которых реализуются различные механизмы превращения высокотемпературной Р-фазы: выше у'кр-бездиффузионный, ниже у2кр - диффузионный, в интервале т;'кр - у^кр промежуточный механизм. Установлены температурно-временные границы распада метастабильных фаз при непрерывном нагреве и изотермической выдержке. Для описания фазового состава сплавов, сформировавшегося в результате охлаждения с различными скоростями, непрерывного нагрева или старения разработаны новые типы диаграмм, позволяющие проводить анализ фазовых превращений и

прогнозировать фазовый состав и тип микроструктуры в зависимости от параметров термической обработки.

2) Изучено влияние режимов высоко- и низкотемпературной термической обработки на свойства модельных и промышленных титановых сплавов. Установлено, что максимальная степень химической микронеоднородности фаз наблюдается при охлаждении со скоростью у3кр. Продукты распада высокотемпературной р-фазы в этом случае имеют максимальную дисперсность, обеспечивающую наиболее высокую прочность и минимальную пластичность сплавов. После низкотемпературной обработки (старения) наиболее высоким уровнем прочности обладают сплавы, охлажденные при предшествующей высокотемпературной обработке со скоростями не менее у3кр.

3) Экспериментально установлено влияние химического состава, исходных фазового состава и структуры сплавов на критические скорости охлаждения. Показано, что дополнительное легирование алюминием сплавов титана с (3-стабилизаторами приводит к снижению критических скоростей охлаждения в том случае, если Кр> 1 и к их увеличению при Кр < 1. Уменьшение размеров исходного Р-зерна и частиц а-фазы приводит к росту у'кр и у3кр при охлаждении с одной и той же температуры.

4) Впервые установлено, что при легировании водородом сплавов системы ТМЧЬ, содержащих от 6 до 18% N1?, образуется гидридная фаза состава СП, 1ЧЬ)1-хНх (х«0,5) с ОЦТ кристаллической решеткой, отношение осей с/а в которой изменяется от 1,14 до 1,02 с увеличением концентрации ниобия. При образовании гидридов р-фаза обедняется водородом и претерпевает бездиффузионные превращения в соотв