автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Влияние химического состава и структурного состояния двухфазных титановых сплавов на технологическую пластичность при нормальной и повышенной температурах

На правах рукописи

АСПИРАНТ ШАЛИН Алексей Владимирович

ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА И СТРУКТУРНОГО СОСТОЯНИЯ ДВУХФАЗНЫХ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ НА ТЕХНОЛОГИЧЕСКУЮ ПЛАСТИЧНОСТЬ ПРИ НОРМАЛЬНОЙ И ПОВЫШЕННОЙ ТЕМПЕРАТУРАХ

Специальность 05.16.01 - «Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2013

005533976

Работа выполнена на кафедре «Материаловедение и технология обработки материалов» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «МАТИ - Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского».

Защита диссертации состоится 18 июля 2013 года в 11— часов на заседании диссертационного Совета Д 212.110.04 в ФГБОУ ВПО «МАТИ - Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского» по адресу: г. Москва, ул. Оршанская, 3, ауд. 220А. Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью организации, просим направлять по адресу: 121552, г. Москва, ул. Оршанская, 3, МАТИ.

Факс: (495)417-89-78.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Университета.

Автореферат разослан 18 июня 2013 года.

Ученый секретарь

Научный руководитель: - доктор технических наук, профессор

Скворцова Светлана Владимировна

Официальные оппоненты: - Ночовная Надежда Алексеевна,

доктор технических наук, ФГУП «ВИАМ» ГНЦРФ, начальник лаборатории - Полькин Игорь Степанович, доктор технических наук, профессор, ОАО «ВИЛС», главный научный сотрудник

Ведущая организация: - ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный

университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина»

диссертационного Совета

Скворцова С.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Важнейшей задачей современного производства полуфабрикатов и изделий из титановых сплавов является снижение его трудоемкости и увеличение коэффициента использования металла.

Один из способов её решения - это создание технологическими методами такого структурного состояния материала, которое обеспечивает, с одной стороны, возможность снижения усилий и/или температуры деформации, а с другой -получение требуемого комплекса свойств в изделиях.

Сплав ВТ16 является одним из основных титановых сплавов для изготовления деталей крепления методом холодного редуцирования и высадки. Однако из-за сравнительно низкого содержания алюминия и использования только изоморфных ß-стабилизаторов в изделиях из этого сплава не всегда удается достичь требуемого комплекса свойств.

Совместно с немецкой фирмой "Hanseatische Waren Handelsgesellschaft mbH & Co. KG" сотрудниками кафедры «МиТОМ» был разработан опытный сплав Ti-3A1-5V-5Mo-lZr-0,5Sn, обладающий более высоким, по сравнению со сплавом ВТ16, уровнем прочности. Однако этот сплав должен иметь и высокую технологическую пластичность при нормальной температуре, что может быть обеспечено созданием в нем регламентированной структуры.

Другой способ - это создание новых сплавов и технологий их получения и обработки, обеспечивающих повышенную технологическую пластичность при температурах (а+р)-области. С этой целью обычно используют сплавы с содержанием алюминия 4-4,5 масс. %, такие, как IMI550 (Ti-4AI-4Mo-2Sn-0,5Si), Corona 5 (Ti-4,5AI-5Mo-1,5Сг) или SP700 (Ti-4,5AI-3V-2Mo-2Fe). Все эти сплавы хорошо деформируются при более низких температурах, чем сплав Ti-6A1-4V (ВТ6). Однако в России аналогов перечисленным выше сплавам не существует.

Эффективным способом снижения трудоемкости изготовления полуфабрикатов за счет снижения усилий и/или температуры деформации является использование технологий, основанных на эффекте водородного пластифицирования и термоводородной обработке. Разработанная в МАТИ опытно-промышленная вакуумно-водородная установка позволяет реализовать

водородные технологии на достаточно массивных заготовках. Однако переход от опытных к промышленным технологиям требует проведения дополнительных исследований.

Поэтому проблема выбора химического состава сплавов, их структурного состояния и технологий обработки, обеспечивающих высокую технологическую пластичность при нормальных и повышенных температурах и требуемый комплекс свойств конечных полуфабрикатов и изделий является актуальной.

Цель работы состояла в изучении закономерностей формирования фазового состава и структуры в опытных и промышленных (а+Р)-титановых сплавах при термической, термомеханической и термоводородной обработках и разработке на этой основе технологий получения полуфабрикатов и изделий методами холодной, теплой и горячей деформации.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Обосновать выбор химического состава опытных и промышленных титановых сплавов для проведения холодной, теплой и горячей деформации.

2. Изучить влияние химического и фазового состава на деформируемость титановых сплавов при нормальной температуре.

3. Изучить закономерности формирования текстуры а- и р- фаз в титановых сплавах при горячей и теплой пластической деформации.

4. Исследовать влияние химического состава и структуры (а+Р)-титановых сплавов на технологическую пластичность при теплой деформации.

5. Изучить влияние дополнительного легирования водородом на усилие прессования титанового сплава ВТ6 при повышенных температурах.

6. На основании проведенных исследований разработать технологию получения и обработки полуфабрикатов и изделий из (а+Р)-титановых сплавов.

Научная новизна:

1. Разработан опытный высокопрочный сплав И-4,5А1-4У-ЗМо-ЗМ)-22г-0,5Сг-0,5Ре, имеющий более высокую пластичность при теплой деформации в (а+Р)-области по сравнению со сплавами ВТ6 и ВТ16.

2. Показано, что для обеспечения высокой технологической пластичности двухфазных (а+Р)-титановых сплавов мартенситного класса при осадке со степенью сжатия не менее 70% при нормальной температуре они должны содержать около 3 масс. % алюминия и иметь рекристаллизованную структуру с размером частиц а-фазы 4-6 мкм. Для снижения усилий деформирования при повышенных температурах сплав должен содержать не более 4,5 масс. % алюминия и иметь полигонизированную структуру с размером частиц а-фазы 1-3 мкм.

3. Установлено, что дополнительное легирование сплава ВТ6 0,15-0,25 масс. % водорода не только снижает усилие прессования вследствие увеличения объемной доли р-фазы, но и активизирует процесс глобуляризации пластинчатой структуры при пластической деформации в результате увеличения концентрации дефектов кристаллического строения.

4. Установлено, что дополнительное легирование сплава ВТ6 0,15-0,25 масс.% водорода приводит к изменению типа кристаллографической текстуры а-фазы при прессовании в (а+Р)-области. Для сплава с исходным содержанием водорода увеличение коэффициента вытяжки приводит к усилению базисной составляющей текстуры а-фазы, а дополнительное легирование водородом - к её ослаблению.

Практическая значимость:

1. Разработан режим отжига опытного сплава И-ЗА1-5У-5Мо-17г-0.55п, заключающийся в изотермической выдержке в течении 10 часов при температуре 710°С и формирующий однородную глобулярную структуру, которая обеспечивает повышение технологической пластичности сплава и позволяет проводить деформацию сжатием при нормальной температуре со степенью не менее 70%.

2. Разработана технология получения и обработки прутков из опытного сплава Ть 4,5А1-4У-ЗМо-ЗЫЬ-2гг-0,5Сг-0,5Ре, которая позволяет создать в полуфабрикате полигонизованную структуру с регламентированным размером частиц а-фазы, обеспечивающую повышенную технологическую пластичность при деформации

в (а+Р)-области и уровень прочности более 1100 МПа после упрочняющей термической обработки. 3. Разработана водородная технология получения прессованных заготовок из сплава ВТ6, включающая наводороживающий отжиг при температуре 800°С до концентраций 0,15-0,25 масс. %, прессование при температурах 880-800°С и последующий вакуумный отжиг при 800°С в течении 5 часов. Дополнительное легирование водородом позволяет снизить в 1,2-1,5 раза усилие прессования. Сочетание обратимого легирования водородом и пластической деформации приводит к формированию в сплаве глобулярной структуры, обеспечивающей предел прочности более 1000 МПа и относительное удлинение более 16%.

Апробация работы: Материалы работы доложены на 10 научно-технических конференциях и семинарах, в том числе: на Седьмом Международном Аэрокосмическом Конгрессе 1АС'12 (Москва, 2012 г.), на Международных конференциях «П в СНГ» (Ялта, 2007 г.; Одесса, 2009 г.; Львов, 2011 г.; Донецк 2013г.), на Научно-технической конференции «Молодежь в авиационном материаловедении» (Москва, ВИАМ, 2008 г.), на Международной научно-технической Уральской школе-семинаре металловедов - молодых ученых (Екатеринбург, УрФУ, 2010гг.), на ХХХУГ-ХХХУШ Международных молодежных научных конференциях «Гагаринские чтения» (Москва, МАТИ, 2010-2012 гг.),

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 10 работах, в том числе в 4 ведущих рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК РФ. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.

Объем диссертации и её струстура. Диссертация изложена на 110 страницах машинописного текста, содержит 66 рисунков и 25 таблиц. Работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, приложения и списка литературы из 112 наименований.

Глава I. Состояние вопроса

В главе на основе анализа литературных данных рассмотрены различные варианты классификации титановых сплавов. Дана характеристика (а+Р)-титановых сплавов, показаны основные принципы их легирования, термической и термомеханической обработок.

Показаны основные закономерности протекания пластической деформации в г. п. и о. ц. к.-металлах. Рассмотрено влияние химического состава на деформируемость отечественных и зарубежных титановых сплавов. В частности, указано, что низкая (около 3%) концентрация алюминия обеспечивает возможность деформирования титановых сплавов при нормальной температуре.

Показано влияние пластической деформации на формирование структуры, текстуры и уровень механических свойств двухфазных титановых сплавов.

Рассмотрено взаимодействие титановых сплавов с водородом. Отмечено, что дополнительное легирование водородом позволяет повысить технологическую пластичность титановых сплавов. Термоводородная обработка обеспечивает достижение необходимого уровня механических свойств готовых изделий за счет преобразования структуры, а также изменения кристаллографической текстуры.

Рассмотрены основные закономерности пластической деформации и текстурообразования в титановых сплавах, дополнительно легированных водородом.

На основе анализа литературных источников поставлена цель работы и сформулированы конкретные задачи исследований.

Глава II. Объекты и методы исследования1

Исследования проводили на образцах, вырезанных из горячекатанных прутков а+Р-титановых сплавов ВТ6, ВТ16, ТкЗ,0А1-4,5У-5Мо-0,7Бп-1,02г, Т1-4,5А1-4У-ЗМо-3>Л>22г-0,5Сг-0,5Бе, полученных по промышленной и опытной технологиям. Химический состав сплавов приведен в таблице 1.

1 Основные экспериментальные результаты получены на оборудовании ресурсного центра коллективного пользования «Авиационно-космические материалы и технологии» МАТИ.

Таблица 1

Химический состав полуфабрикатов из титановых сплавов

Сплав Легирующие элементы, масс. % Примеси (не более), масс.%

А1 V Мо Zr Sn Nb Cr Fe Si Н С N О

ВТ16 3 4,3 5,3 - - - - <0,1 0,06 0,003 0,05 0,03 0,15

Ti-3,0A1-4,5V-5Mo-0,7Sn-l,0Zr 3 4,4 5,4 1,0 0,7 - - <0,1 0,05 0,004 0,05 0,02 0,15

Ti-4,5A1-4V-3Mo-3Nb-2Zr-0,5Cr-0,5Fe 4,8 4,0 3,6 1,8 - 3,5 0,51 0,58 0,04 0,007 0,05 0,02 0,15

BT6 5,9 4,1 - - - - <0,35 0,1 0,006 0,03 0,02 0,18

Примечания: основа сплавов - титан; примеси в соответствии с ГОСТ 19807-91.

Металлографические и рентгеноструктурные исследования проводили на образцах 012x12 мм, изготовленных по стандартным методикам.

Образцы для кратковременных испытаний на растяжение изготавливали согласно ГОСТ 1497-8. Испытания на осадку проводили на образцах размером 011x15мм.

Термическую обработку в воздушной атмосфере проводили в электропечи СНОЛ-1,6.2,5.1/9-И4. Вакуумный отжиг проводили в печи ВЕГА-ЗМ.

Наводороживание образцов осуществляли термодиффузионным способом в среде высокочистого молекулярного водорода в установке Сивертса. Концентрацию вводимого водорода контролировали взвешиванием, а остаточного водорода после вакуумного отжига - спектральным методом на спектрографе ИСП-51 с электронной аналитической приставкой MOPC-1/2048/PCI.

Металлографические исследования проводили на оптическом микроскопе Karl Zeiss Axio Observer с увеличением до 1100 крат, оснащенном программным комплексом для анализа изображений NEXSYS ImageExpert Pro.

Электронно-микроскопический анализ фольг проводили на просвечивающем электронном микроскопе «JEM-200C» с ускоряющим напряжением 200 кВ при увеличении до 80000 крат.

Измерение твердости по методу Роквелла проводили на приборе BUEHLER Macromet 5100Т.

Испытания на осадку проводили на гидравлическом прессе ПМ125 с усилием 125000 кг.

Кратковременные механические испытания на растяжение проводили на универсальной испытательной машине TIRA-test 2300.

Рентгеноструктурный анализ проводили на дифрактометре ДРОН-7 в фильтрованном CuA"tt излучении. Для количественного описания текстуры использовали модифицированный метод обратных полюсных фигур (ОПФ) по Харрису. ОПФ строили в области стандартных стереографических треугольников для а- и ß-фаз.

Экспериментальные данные обрабатывали методами математической статистики.

Глава III. Влияние химического и фазового состава на деформируемость титановых сплавов при нормальной температуре

Глава посвящена разработке технологии получения и обработки опытного титанового сплава Ti-3,0Al-4,5V-5Mo-0,7Sn-l,0Zr, разработанного сотрудниками МАТИ совместно с немецкой фирмой "Hanseatische Waren Handelsgesellschaft mbH & Co. KG" для обеспечения высокой технологической пластичности при нормальной температуре.

Температура (a+ß)/ß перехода сплава составляет 850°С

Для выбора оптимальной температуры прокатки опытного сплава в (а+Р)-области изучено влияние температуры нагрева на удельные усилия сжатия при осадке. Показано, что их наименьшие значения - 48 и 60 МПа достигаются при температурах нагрева 830 и 800°С, соответственно. Установлено, что прокатка при температуре 830°С не позволяет полностью устранить в прутках границы исходных ß-зерен и преобразовать внутризеренную пластинчатую структуру (рис. 1а), а деформация при температуре 800°С приводит к формированию хорошо проработанной мелкодисперсной структуры по всему сечению полуфабриката (рис. 16).

На основе проведенных исследований разработана технология получения прутка 018 мм из слитка 0 340 мм за три перехода. Первый переход с 0340 до 0210 мм осуществлялся ковкой в р-области при температуре 1000°С, второй переход с 0210 до 080 мм - прокаткой в Р-области при температуре 950°С и третий переход с 080 до 018 мм - прокаткой в (а+Р)-области при начальной температуре 800°С.

Рис. 1. Микроструктура образцов из сплава "П-3,0А1-4,5У-5Мо-0,78п-1,02г после прокатки при температурах 830°С (а) и 800°С (б)

Показано, что несмотря на относительно высокую температуру прокатки (Ас3-50°С) сплав находился в сильно нагартованном состоянии, его твердость колебалась в пределах 42 - 46 единиц НЯС, а предельная степень деформации не превышала 30%. Поэтому на следующем этапе было исследовано влияние температуры отжига и скорости охлаждения на предельную степень деформации при сжатии при нормальной температуре. Отжиг проводился в двухфазной области при температурах от 800 до 680°С с шагом в 30°С, выдержкой при заданных температурах в течение 2 часов и охлаждением со скоростями 70; 3 и 0,04 К/с, что соответствует охлаждению в воде, на воздухе и с печью.

Охлаждение в воде с температур 770-800°С приводит к формированию в структуре максимального количества метастабильной Р-фазы. Последующая осадка инициирует р—»«"-превращение, что обусловливает низкие значения предельной степени деформации (епр) (табл. 2). Выделение дисперсной вторичной а-фазы в процессе охлаждения образцов на воздухе с тех же температур также является причиной низких значений епр, а медленное охлаждение с печью позволяет получить максимальные значения епр вследствие преобладания процессов роста первичной а-фазы над процессами зарождения вторичной (табл. 2). Понижение температуры

отжига до 740°С приводит к уменьшению в структуре количества р-фазы и увеличению её термической и механической стабильности, вследствие чего разница в значениях предельной степени деформации образцов, охлажденных с разными скоростями, уменьшается (табл.2).

Таблица 2

Значения твердости и предельной степени деформации при сжатии образцов из сплава Т1-3,0А1-4,5У-5Мо-0,75п-1,02г в зависимости от температуры отжига и

скорости охлаждения

Температура отжига, °С Твердость, НЯС Предельная степень деформации при сжатии, %

Охлаждение со скоростью 70 К/с (вода)

800 28 21

770 28 31

740 31 48

710 32 58

680 32 44

Охлаждение со скоростью 3 К/с (воздух)

800 38 21

770 35 38

740 33 54

710 32 60

680 32 45

Охлаждение со скоростью 0,04 К/с (печь)

800 26,5 69

770 27 68

740 30 63

710 32 60

680 32 45

Дальнейшее понижение температуры отжига нивелирует влияние скорости охлаждения на предельную степень деформации при сжатии, а уменьшение размера структурных составляющих приводит к снижению епр (табл. 2).

Таким образом, проведенные исследования показали, что максимальное значение предельной степени деформации (69%) имели образцы после отжига при 800°С и охлаждения с печью. Однако реализация в промышленных условиях

данного вида обработки является длительным и неэффективным процессом. Наиболее целесообразным в условиях массового производства является охлаждение на воздухе. При данной скорости охлаждения наибольшая технологическая пластичность (60%) наблюдается у образцов, отожженных при 710°С.

Ключевыми факторами, влияющими на предельную степень деформации являются размер структурных составляющих и плотность дефектов кристаллического строения, в первую очередь дислокаций. Поэтому на следующем этапе работы было изучено влияние времени изотермической выдержки при выбранной температуре отжига на структуру и технологическую пластичность образцов из опытного сплава. Установлено, что увеличение времени выдержки до 10 часов в процессе отжига при 710°С приводит к увеличению значений предельной степени сжатия при осадке до 71% вследствие укрупнения размера структурных составляющих и уменьшения концентрации дефектов кристаллического строения (рис. 2).

а) б)

Рис. 2. Микроструктура образцов из сплава ТьЗ,0А1-4,5У-5Мо-0,78п-1,07г после изотермической выдержки в течении 2 (а) и 10 (б) часов при 710°С

Анализ результатов сравнительных испытаний на осадку и разрыв образцов из сплавов ТьЗ,0А1-4,5У-5Мо-0,78п-1,02г и ВТ16 показал, что значения предельной степени деформации при нормальной температуре у опытного сплава всего на 3% ниже, чем у сплава ВТ16. При этом предел прочности опытного сплава в отожженном состоянии составляет 970 МПа, что на 60 МПа выше, чем у сплава ВТ16.

Исследовано влияние температуры и времени старения на формирование структуры и комплекс механических свойств образцов из сплава ТьЗ,0А1-4,5У-5Мо-0,78п-1,02г, предварительно отожженных при температуре 710°С. Установлено, что

старение при температуре 500°С в течение 4 часов позволяет повысить прочность опытного сплава до 1090 МПа, что на 80 МПа выше, чем у ВТ16 при одинаковых значениях пластичности.

Оценена возможность изготовления болтов из опытного сплава методом холодной высадки и редуцирования при нормальной температуре. Разработанная технология, включающая прокатку прутков и последующий отжиг при температуре 710°С с изотермической выдержкой в течение 10 часов и охлаждением на воздухе, позволила изготовить опытную партию болтов М14 без дефектов поверхности.

Проведен сравнительный анализ усталостной прочности болтов из опытного сплава и серийных стальных болтов. Показано, что при амплитуде нагрузки 5 кН болты из сплава Т1-3,0А1-4,5У-5Мо-0,78п-1,02г выдерживают базовое число циклов (107) без разрушения. При увеличении амплитуды нагрузки до 10 кН долговечность болтов из опытного сплава ниже, чем у серийных стальных, но в 4-7 раз превышает уровень усталостных свойств, установленный требованиями к крепежным деталям.

Глава IV. Влияние фазового состава и структуры на деформируемость сплава

Т1-4,5А1-4У-ЗМо-3]ЧЬ-2гг-0,5Сг-0,5Ре при повышенных температурах

Глава посвящена разработке опытного титанового сплава и технологий его получения и обработки, обеспечивающих повышенную по сравнению с промышленным сплавом ВТ6 технологическую пластичность и уровень механических свойств.

Разработана технология получения прутка 016 мм из слитка 0100 мм, включающая ковку в р-области при температуре 950°С с последующей прокаткой при температуре на 70°С ниже Ас3, которая составляет 850°С.

Изучено влияние термической обработки на формирование структуры в прутках опытного сплава и её влияние на удельное усилие сжатия при повышенных температурах.

Установлено, что оптимальной температурой отжига является 700°С. Показано, что изотермическая выдержка в течение 2 часов практически не приводит к изменению размера структурных составляющих, а лишь незначительно снижает твердость (до 34 ед. ИКС), что объясняется неполным снятием в процессе отжига

остаточных напряжений, возникших в сплаве при деформации. Увеличение времени выдержки до 6 часов приводит к росту а-фазы и снижению твердости сплава до 2930 ед. Н11С (рис. 3).

ШВшЯяЩ р ЯШ^. -.х- =

а) б) в) г)

Рис. 3. Микроструктура образцов из опытного сплава после отжига при 700°С в течение 2 (а),4 (б), 6 (в) часов и двухступенчатового отжига (г)

Был опробован режим двухступенчатого отжига, включающий нагрев до температуры 800°С, что на 50°С ниже Ас3, выдержку в течение 2-х часов, охлаждение со скоростью 0,02К/с до температуры 700°С и выдержку в течение 4-х часов с последующим охлаждением на воздухе до нормальной температуры.

Обработка по данному режиму приводит к формированию глобулярных частиц а-фазы большего размера - 5-8мкм. Укрупнение размера структурных составляющих приводит к уменьшению твердости до 26-27 ед. НЯС.

Несмотря на то, что двухступенчатый отжиг позволил получить менее прочное состояние сплава при нормальной температуре, испытания на сжатие при повышенных температурах показали, что наименьшими значениями удельного усилия сжатия и, следовательно, наибольшей технологической пластичностью, обладают образцы, отожженные при 700°С в течение 4 часов. Как показали проведенные исследования (см. главу 3), структура с низкой плотностью дислокаций и размером а-частиц 4-6 мкм обеспечивает высокую технологическую пластичность при нормальной температуре. При повышенных температурах основным фактором, влияющим на деформируемость сплава, является размер структурных составляющих: чем он меньше, тем выше пластичность сплава и ниже усилие деформирования.

На следующем этапе работы было проведено сравнение пластичности опытного сплава и сплава ВТ6 при повышенных температурах. Проведенные исследования показали, что при температуре испытания (Ас3 - 30)°С удельное

усилие сжатия в опытном сплаве в 1,3 раза выше, чем в сплаве ВТ6 (рис. 4а). С понижением температуры рост предела текучести опытного сплава идет менее интенсивно, что позволяет проводить деформацию с теми же усилиями, что и сплава ВТ6, но при температурах на 60-80°С ниже (рис. 46).

МПа 140 120 100 80 60 40 20 О

опытныи сплав.

820t

ВТв, 97013

0,6 ln{Ho/Hi)

Oi2,MHa 100

850 900 950 t.°C

\\

\ Л

\ \ \ ч ВТ6 'vv

опытный сплав внеX

а) б) в)

Рис.7. Зависимость удельного усилия осадки от истинной степени деформации при температуре 970°С для сплава ВТ6 и 820°С для опытного сплава (а); зависимость удельного усилия осадки от температуры испытаний для опытного сплава и сплава ВТ6 (б) и влияние температуры деформации на предел текучести при осадке опытного сплава и промышленных сплавов ВТ6 и ВТ16 (в).

Таким образом, проведенные исследования показали, что опытный сплав имеет более высокую технологическую пластичность по сравнению со сплавом ВТ6, что выражается в более низких значениях усилий деформации.

Для сравнения были проведены испытания на осадку сплава ВТ 16, содержащего всего 3% алюминия и обладающего высокой технологической пластичностью при нормальной температуре. Проведенные исследования показали, что при повышенных температурах по значениям удельного усилия сжатия он таже уступает опытному сплаву (рис. 4в).

Однако повышенная технологическая пластичность не должна приводить к существенному снижению уровня прочности. Поэтому на следующем этапе работы были определены механические свойства опытного сплава, которые сравнивали со значениями для сплава ВТ6. После отжига опытный сплав по значениям прочности не уступает сплаву ВТ6, а по пластическим характеристикам превосходит его (табл. 3).

Таблица 3

Механические свойства опытного сплава и сплава ВТ6 в различных состояниях

Сплав Состояние ав, МПа а02, МПа 8,% %%

ВТ6 Отожженное 935 905 17 44

Ti-4,8Al-4V-3,6Mo-3,5Nb-1,8Zr-0,58Fe-0,51 Cr Отожженное 940 930 18,5 64

Термоупрочненное 1125 1104 15,8 57

Опытный сплав относится к (а+Р)-классу и, следовательно, является термически упрочняемым. В связи с этим, был проведен анализ возможности его дополнительного упрочнения. Показано, что старение при 500°С в течение 6 часов позволяет почти на 200 МПа увеличить прочность при незначительном снижении пластичности (табл. 3)

Таким образом, проведенные исследования показали, что разработанный опытный сплав имеет более низкие значения усилия деформирования в (а+Р)-области, чем сплав ВТ6. По прочности в отожженном состоянии он не уступает, а в термоупрочненном состоянии — превосходит сплав ВТ6.

Глава V. Влияние дополнительного легирования водородом на деформируемость сплава ВТ6 при повышенных температурах

Глава посвящена изучению влияния содержания водорода и температуры деформации на усилие прессования, структуру, текстуру и комплекс механических свойств сплава ВТ6.

По результатам испытаний на осадку построены зависимости удельных усилий сжатия от содержания водорода и температуры деформации (рис. 5), что позволило выбрать оптимальные концентрации водорода 0,15; 0,2; 0,25%, обеспечивающие минимальное усилие сжатия при температурах 880°, 850° и 800°С, соответственно.

Исследование влияния водорода на процесс прессования проводили на заготовках из сплава ВТ6 размером 090 x200мм с использованием матриц с диаметрами отверстий 45, 35 и 20 мм, что соответствовало коэффициентам вытяжки 4,5; 7,4 и 22,5.

О 0.1 0,г 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

Рис. 5. Влияние содержания водорода и температуры осадки на удельное усилие сжатия при степени деформации 10% образцов из сплава ВТ6

Установлено, что введение в сплав ВТ6 0,15 - 0,25% водорода позволяет снизить усилие прессования в 1,2 - 1,5 раз за счет увеличения в структуре объемной доли р- фазы (рис 6).

880°С

0,006%Н

0,15%Н

/

/ /

850°С 0,006%Н

/ 0,2%Н к

/, .........

г / / 1

10 20 30

Коэффициент вытяжки

800°С

0.006%Н / 0,25%Н

/ -....../ -........

10 20 30

Коэффициент вытяжки

10 20 30

Коэффициент вытяжки

Рис. 6. Влияние содержания водорода и температуры на усилие прессования заготовок из сплава ВТ6.

Проведен анализ влияния температуры и степени деформации на формирование структуры прессованных прутков из сплава ВТ6. Показано, что прессование заготовок с исходным содержанием водорода (0,005%) не вызывает существенного изменения крупнопластинчатой исходной структуры (рис. 7а). Снижение температуры деформации и/или увеличение коэффициента вытяжки приводит лишь к утонению а-пластин (рис. 76). Дополнительное легирование сплава водородом повышает в структуре объемную долю р-фазы, приводя не только к уменьшению толщины а-пластин, но и к увеличению количества дисперсных а-частиц, выделяющихся из р-фазы в процессе охлаждения после деформации до нормальной температуры (рис. 7в). Увеличение содержания водорода в сплаве и/или

увеличение коэффициента вытяжки приводит к накоплению дефектов и активизации процессов глобуляризации в процессе деформации, что позволяет преобразовать крупнопластинчатую структуру в глобулярную (рис. 7г).

Изучено влияние степени деформации и температуры на формирование текстуры прессованных прутков из сплава ВТ6. Показано, что при коэффициенте вытяжки 4,5, независимо от температуры деформации, для прутков с исходным содержанием водорода характерна текстура деформации <110> и динамической рекристаллизации <100> и <112> Р-фазы, а для а-фазы - текстура р-»а-превращения [0001], <1011>, <1010> и <1122> и деформации <2130> (рис. 7а). Увеличение коэффициента вытяжки приводит к усилению текстуры деформации Р-фазы. Для а-фазы характерен рост полюсной плотности базисной [0001] и пирамидальной [1011] ориентировок, соответствующих текстуре Р—»а-превращения, что обусловлено уменьшением количества первичной а-фазы, участвующей в процессе деформации, вследствие повышения температуры заготовки при её трении о матрицу.

Дополнительное легирование водородом приводит к формированию только текстуры деформации Р-фазы (рис. 7в). Для а-фазы с увеличением коэффициента вытяжки характерно снижение полюсной плотности ориентировок, свойственных текстуре р-»а-превращения [0001] и <1011>, и усилению текстуры деформации а-фазы <1120>, <2132> и <2133> (рис. 7г).

Проведение отжига при температуре 800°С в воздушной атмосфере прутков с исходным содержанием водорода и вакуумного отжига прутков, дополнительно легированных водородом, приводит к снятию остаточных напряжений, незначительному укрупнению структурных составляющих, не вызывая при этом существенных изменений текстуры полуфабрикатов.

На заключительном этапе работы проведены механические испытания образцов из сплава ВТ6, вырезанных из прессованных заготовок. Установлено, что в прутках с исходным содержанием водорода с увеличением коэффициента вытяжки происходит увеличение прочности и понижение пластичности вследствие утонения а-пластин. Изменение структуры от крупнопластинчатой до мелкопластинчатой и глобулярной при обратимом легировании водородом позволяет увеличить

прочность заготовки всего на 20-40 МПа, а пластичность на 2-2,5%, что обусловлено различием в кристаллографической текстуре (рис. 7).

а)

б)

в)

г)

Рис. 7. Микроструктура и ОПФ прутков из сплава ВТ6 045 {а,в) и 020 (б,г) мм с исходным содержанием водорода (0,005%) (а,б) и дополнительно легированных водородом (0,2%) (в,г) после прессования при 850°С

Таким образом, дополнительное легирование сплава ВТ6 водородом позволило снизить усилие прессования в 1,2-1,5 раза, преобразовать исходную грубопластинчатую структуру в глобулярную и повысить значение прочности и пластичности.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Разработана технология получения прутка 018 мм из опытного сплава Т1-3,0А1-4,5У-5Мо-0,78п-1,02г из слитка 0340 мм за три перехода: первый переход с 0340 мм до 0210 мм осуществлялся ковкой в р-области при температуре 1000°С, второй переход с 0210 мм до 080 мм — прокаткой в р-области при температуре

950°С и третий переход с 080 мм до 018 мм - прокаткой с начальной температурой 800°С, что позволило полностью устранить исходное Р-зерно и преобразовать крупнопластинчатую структуру в мелкодисперсную.

2. Показано, что максимальное значение предельной степени сжатия при осадке (69%) образцов из сплава Т1-3,0А1-4,5У-5Мо-0,78п-1,0гг достигается после отжига при 800°С и охлаждения с печью, а увеличение скорости охлаждения приводит к резкому снижению предельной степени деформации. Установлено, что отжиг при 710°С в течении 2 часов нивелирует влияние скорости охлаждения, а степень деформации достигает значения 60%.

3. Установлено, что увеличение времени выдержки до 10 часов в процессе отжига при 710°С опытного сплава Т1-3,0А1-4,5У-5Мо-0,7Бп-1,02г приводит к уменьшению плотности дефектов кристаллического строения и формированию структуры с размером частиц а-фазы 4-6 мкм, что обеспечивает увеличение значений предельной степени сжатия при осадке до 71%, что всего на 3% ниже, чем для сплава ВТ16. Предел прочности опытного сплава в отожженном состоянии составляет 970МПа, а после дополнительного старения при 500°С - 1090 МПа, что на 60-80 МПа превышает эти значения для сплава ВТ16 при одинаковой пластичности.

4. Методом холодной высадки и редуцирования изготовлена опытная партия болтов М14 из сплава Т1-3,0А1-4,5У-5Мо-0,78п-1,02г, долговечность которых при амплитуде нагрузки до ЮкН превышает установленный для крепежных деталей уровень в 4-7 раз.

5. Создан опытный сплав И-4,5А1-4У-ЗМо-ЗЫЬ-22г-0,5Сг-0,5Ре и разработана технология получения прутка 016 мм, включающая ковку в р-области при температуре 950°С и последующую прокатку при температуре 780°С, что на 70°С ниже температуры Ас3 сплава.

6. Установлено, что оптимальными параметрами отжига сплава И-4,5А1-4У-ЗМо-3№>-22г-0,5Сг-0,5Ре являются: температура 700°С, выдержка в течение 4 часов и последующее охлаждение на воздухе. В сочетании с предварительной деформацией такой режим формирует структуру с пониженной

плотностью дислокаций и размером частиц а-фазы 1-3 мкм, обеспечивающую повышенную технологическую пластичность.

7. Показано, что при температуре испытания Ас3-30°С удельное усилие сжатия при осадке опытного сплава Ti-4,5Al-4V-3Mo-3Nb-2Zr-0,5Cr-0,5Fe в 1,3 раза выше, чем у сплава ВТ6. С понижением температуры испытаний рост предела текучести опытного сплава идет менее интенсивно, что позволяет проводить его деформацию с теми же усилиями, что и сплава ВТ6, но при температурах на 60-80°С ниже.

8. Показано, что в отожженном состоянии опытный сплав Ti-4,5A1-4V-3Mo-3Nb-2Zr-0,5Cr-0,5Fe и сплав ВТ6 имеют одинаковый уровень прочности 940 МПа, а проведение упрочняющей термической обработки - старения при 500°С позволяет повысить прочность опытного сплава на 200 МПа при незначительном снижении пластичности.

9. Определены оптимальные концентрации водорода (0,15;0,2 и 0,25%), позволяющие снизить в 1,2-1,5 раза удельные усилия при прессовании заготовок из сплава ВТ6 при температурах 880°, 850° и 800°С, соответственно. Установлено, что дополнительное легирование водородом приводит к достижению большей концентрации дефектов кристаллического строения в процессе прессования, что способствует глобуляризации исходной пластинчатой структуры.

10. Показано, что при прессовании сплава ВТ6 с исходным содержанием водорода, независимо от температуры деформации, увеличение коэффициента вытяжки приводит к усилению базисной составляющей текстуры а-фазы. Дополнительное легирование водородом при увеличении коэффициента вытяжки, наоборот, приводит к ослаблению базисной текстуры и усилению аксиальной текстуры деформации <1120>, <2132> и <2133>, характерной для ГП-металлов.

11. Установлено, что с увеличением коэффициента вытяжки в прутках с исходным содержанием водорода происходит увеличение прочности и понижение пластичности вследствие утонения а-пластин. Преобразование структуры от крупнопластинчатой до мелкопластинчатой и глобулярной при обратимом легировании водородом позволяет увеличить прочность заготовки всего на 20-40 МПа, а пластичность на 2-2,5%, что обусловлено различием в кристаллографической текстуре.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Скворцова C.B., Овчинников A.B., Дзунович Д.А., Шалин A.B., Мамонтова H.A. Влияние химического состава и дополнительного легирования водородом на деформационное поведение титановых сплавов при повышенных температурах // Титан. 2012. № 4 (38). с. 6-13.

2. Ильин A.A., Скворцова C.B., Панин П.В., Дзунович Д.А., Шалин A.B. Влияние термической и термомеханической обработок на текстурообразование в листовых полуфабрикатах из титановых сплавов // Технология машиностроения. 2012. № 2. с.8-12.

3. Ильин A.A., Скворцова C.B., Панин П.В., Шалин A.B. Влияние термоводородной обработки и пластической деформации на структурообразование титановых сплавов // Авиационная промышленность. 2009. №4. с. 31-36.

4. Скворцова C.B., Ручина Н.В., Снегирева Л.А., Куделина И.М., Шалин A.B. Влияние водорода на структуру и технологические свойства прутков из титанового сплава ВТ16 // Технология легких сплавов. 2007. №3. с. 46-51.

5 Скворцова C.B., Дзунович ДА., Панин П.В., Шалин A.B., Макарчук А.Е. Влияние термоводородной обработки и пластической деформации на формирование текстуры титановых сплавов разных классов // Сборник тезисов докладов 7-го Международного Аэрокосмического Конгресса «IAC12», Москва, 2012, с. 195-196.

6. Шалин A.B., Потамошнев Д.В., Макарчук А.Е. Влияние дополнительного легирования водородом на деформируемость титанового сплава ВТ6 // Сборник тезисов докладов МНТК «XXXVIII Гагаринские чтения», Москва. «МАТИ»-РГТУ, 2012, с. 117-118.

7. Скворцова C.B., Дзунович ДА., Шалин A.B., Потамошнев Д.В., Макарчук А.Е. Деформируемость титановых сплавов при нормальной и повышенных температурах // Сборник докладов международной конференции «Титан-2011 в СНГ», Украина, г. Львов. 2011, с. 361-363.

8. Панин П.В., Шалин A.B., Грушин И.А. Формирование структуры в титановых сплавах с помощью термоводородной обработки и пластической

деформации // Сборник тезисов докладов МНТК «XXXVI Гагаринские чтения», Москва. «МАТИ»-РГТУ, 2010, Т1,с. 86-87.

9. Скворцова C.B., Дзунович Д.А., Панин П.В., Шалин A.B. Формирование текстуры в титановых сплавах при термоводородной обработке и пластической деформации // Сборник докладов международной конференции «Титан-2009 в СНГ», Украина, г. Одесса. 2009, с. 368-372.

10. Ильин A.A., Скворцова C.B., Дзунович ДА., Панин ИВ., Шалин A.B. Роль фазовых и структурных превращений в формировании текстуры листовых полуфабрикатов из титановых сплавов // Сборник докладов международной конференции «Титан-2007 в СНГ», Украина, г. Ялта. 2007, с. 199-208.

Подписано в печать 10.06.2013 г. Объем - 1 п.л.

Формат 60x84 1/16 Тираж - 100 экз