автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Влияние легирования водородом и пластической деформации на структуру и свойства сплавов Ti-6Al и Ti-6Al-4V

На правах рукописи

Аспирант ЩУГОРЕВ Юрий Юрьевич

ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРОВАНИЯ ВОДОРОДОМ И ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА СПЛАВОВ Т|-6А1 и Т|-6А1-4У

Специальность 05.16.01 - «Металловедение и термическая обработка металлов»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 п Р н 2008 Москва - 2008

003457477

Работа выполнена на кафедре «Технология и автоматизация обработки материалов» Ступинского филиала ГОУ ВПО «МАТИ» - Российского государственного технологического университета имени К. Э. Циолковского.

Научный руководитель-д.т.н., профессор, заслуженный деятель науки РФ Носов Владимир Константинович

Официальные оппоненты - д.т.н., профессор Мамонов Андрей Михайлович - к.т.н. Разуваев Евгений Иванович

Ведущее предприятие - ОАО «Ступинская металлургическая компания»

Защита диссертации состоится 25 декабря 2008 года в 14— часов на заседании диссертационного Совета Д 212.110.04 в ГОУ ВПО «МАТИ» -Российском государственном технологическом университете им. К.Э. Циолковского по адресу: г. Москва, ул. Оршанская, 3, «МАТИ»-РГТУ им. К. Э. Циолковского, ауд. 220А. Отзыв на автореферат в одном экземпляре (заверенный печатью) просим направлять по адресу: 121552, Москва, ул. Оршанская, 3, «МАТИ»-РГТУ им. К. Э. Циолковского.

Тел.: (495) 417-8878, факс: (495) 417-8978.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Университета.

Автореферат разослан 25 ноября 2008 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

Скворцова С. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Высокие удельные прочностные характеристики и коррозионная стойкость титановых сплавов определяют их широкое применение в различных отраслях промышленности. Развитие современных отраслей машиностроения предъявляет все более возрастающие требования к качеству конструкционных материалов. В связи с этим одной из главных задач металловедения является разработка новых методов упрочняющей обработки промышленных сплавов. В последние годы интенсивно разрабатываются различные способы деформационной обработки, основанные на применении больших пластических деформаций при пониженных температурах. В ходе такой обработки происходит измельчение микроструктуры металлов и сплавов до размеров зерен менее 1 мкм. Формирование ультрамелкозернистой (УМЗ) структуры приводит к значительному повышению прочности при нормальной температуре, и, что особенно важно для последующего изготовления изделий, к повышению технологической пластичности при температурах, пониженных по сравнению с обычными режимами обработки.

В работах научной школы академика РАН Ильина A.A. установлены основополагающие принципы влияния механизма фазовых превращений в титановых сплавах на формирование фазового состава и структуры при воздействии различных технологических факторов. В последнее время интенсивное развитие получило новое направление обработки титановых сплавов водородная технология, основанная на сочетании обратимого легирования водородом с термическим и термомеханическим воздействием.

В проведенных ранее исследованиях было показано, что при рациональном выборе легирования и режимов термической обработки расширяются возможности управления процессами выделения и распада водородосодержащих фаз, а, следовательно, получения регламентированной микроструктуры титановых сплавов. За счет этого можно существенно повысить их пластичность, и на 100-200°С снизить температуру горячей деформации, не повышая деформирующие усилия. Поэтому, есть основания полагать, что применение водородной технологии может оказаться эффективным для получения УМЗ структуры в

сплавах титана методами пластической деформации в сочетании с обратимым легированием водородом.

Поэтому установление закономерностей влияния водорода на эволюцию структуры в процессе деформации титановых сплавов и последующего обезводороживающего отжига в вакууме является актуальной. Работа выполнена в рамках научной школы, руководимой академиком РАН Ильиным A.A.

Цель диссертационной работы состояла в установлении закономерностей влияния дополнительного легирования водородом на формирование фазового состава и структуры сплавов Ti-6A1 и Ti-6A1-4V в процессе пластической деформации и последующего вакуумного отжига и определении на этой основе оптимальных температурно-концентрационных условий обработки, обеспечивающих получение из них катаных полуфабрикатов с заданной структурой и повышенным уровнем механических свойств при нормальной температуре.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

изучить влияние дополнительного легирования водородом на формирование фазового состава и структуры сплавов Ti-6A1 и Ti-6A1-4V;

- установить закономерности влияния температуры испытаний и скорости деформации на пластичность и сопротивление деформации водородосодержащих сплавов Ti-6A1 и Ti-6A1-4V при испытаниях на сжатие в а-, а+ß- и ß- области;

- определить оптимальные значения температур и концентраций водорода, обеспечивающих получение катаных заготовок из сплавов Ti-6A1 и Ti-6A1-4V;

- исследовать закономерности формирования фазового состава и структуры водородосодержащих заготовок сплавов Ti-6A1 и Ti-6A1-4V при последующем вакуумном отжиге;

- оценить влияние размера структурных составляющих на механические свойства полученных прокаткой заготовок из сплавов Ti-6A1 и Ti-6A1-4V, дополнительно легированных водородом и подвергнутых вакуумному отжигу при температурах 600° и 700°С.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Показано, что в процессе наводороживающего отжига сплавов И-6А1 и И-6А1-4У с увеличением концентрации водорода и стабилизации (3-фазы первичная а'-фаза обогащается алюминием и при концентрациях водорода 0,5+0,9% в решетки первичной а1 -фазы происходит упорядочение по типу Т13А1 с образованием (а+а2) структурной составляющей.

2. Установлено, что находящийся в а- и р-твердом растворе водород вызывает твердорастворное упрочнение а- и Р- фаз и тем самым повышает сопротивление деформации сплавов в однофазном состоянии.

3. Установлено, что сопротивление пластической деформации водородосодержащих сплавов И-6А1 и Т1-6А1-4У в верхней части двухфазной а+Р-области понижается с увеличением количества р- фазы и дроблением пластин а-фазы, вследствие протекания а—>Р- превращения в процессе наводороживания.

4. Показано, что сформированная в процессе вакуумного отжига при 700°С в водородосодержащих катаных полосах из сплавов Т1-6А1 и И-6А1-4У структура, содержащая а-зерна размером около 3 мкм (И-6А1) и частицы а-фазы размером меньше 1 мкм (ТьбАМУ), обеспечивает повышение прочностных характеристик на 10-25% при сохранении удовлетворительной пластичности.

Практическая значимость работы.

1. Получены экспериментальные данные о влиянии водорода, температуры испытаний и скорости деформации на пластичность и сопротивление деформации а- сплава И-6А1 и а+р- сплава И-6А1-4У, установлены интервалы температур и концентраций водорода (0,3-0,5% для сплава И-6А1 и 0,2-0,3% для сплава Ть6А1-4У), обеспечивающие максимальное снижение деформирующих усилий. Установлены температурно-концентрационные интервалы недопустимой, ограниченной и высокой пластичности сплавов.

2. Разработаны режимы прокатки и вакуумного отжига заготовок из сплавов Т1-6А1 и ТьбАМУ, легированных водородом, позволяющие получать субмикрокристаллическую структуру с размером зерна а- фазы 0,6-0,9 мкм и повышенными свойствами при нормальной температуре. Разработанные режимы прокатки и вакуумного отжига листовых заготовок из сплава И-6А1-4У были

использованы Фондом «МиТОМ» при создании водородной технологии производства листов с субмикрокристаллической структурой из этого сплава.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены на 4 Международных и Российских конференциях, в том числе на международной конференции «11-2007 в СНГ» (Украина, г. Ялта, 2007 год), Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии» (г. Москва, 2004 г.), на 3-й Международной конференции «Т1-2005 в СНГ», (г. Киев, 2005 г.).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 7 работах, в том числе в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК России - 2. Список публикаций приведен в конце автореферата.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 78 наименований. Изложена на 126 страницах машинописного текста, содержит 51 рисунок и 18 таблиц.

Глава I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

В главе на основе анализа литературных данных рассмотрены принципы легирования, эксплутационные и механические свойства титановых сплавов. Подробно рассмотрены методы измельчения микроструктуры в полуфабрикатах из титановых сплавов: сдвиг под давлением, равнонаправленное угловое прессование, винтовое прессование, метод всесторонней ковки, гидроэкструзия; проанализированы преимущества и недостатки перечисленных методов.

Приведены данные по эффективности применения водорода в качестве временного легирующего элемента при пластической деформации различного класса титановых сплавов. Рассмотрены вопросы взаимодействия водорода с титаном и его сплавами. Приведена информация о температурно-концентрационных диаграммах фазового состава водородосодержащих сплавов Т'ь 6А1 и Ть6А1-4У, о механизмах благоприятного влияния легирования водорода на повышение пластичности и сопротивление деформации, обусловленное, прежде всего, стабилизацией растворенным водородом более пластичной и менее прочной Р-фазы, изменением морфологии фаз и их химического состава. Проанализированы имеющиеся литературные данные об упрочнении и 6

разупрочнении растворенным водородом а- и (3- фаз титановых сплавов в процессе пластической деформации.

Обобщены результаты работ по термоводородной обработке (ТВО) титановых сплавов, сочетающей в различной последовательности обратимое легирование титановых сплавов с термической обработкой и пластической деформацией. Показано, что рациональный выбор схемы ТВО и режимов обработки позволяет получать в титановых сплавах субмикрокристаллическую структуру с регламентированной структурой и заданным уровнем технологических и эксплуатационных свойств. Сделан вывод о целесообразности применения обратимого легирования водородом в сочетании с пластической деформации для повышения технологичности и эксплуатационных свойств титановых сплавов.

На основе проведенного литературного обзора сформулирована цель и поставлены задачи исследования.

Глава II. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследования проводили на образцах, полученных из горячекованных прутков 020 мм сплавов ТС-6А1 и ТС-6А1-4У, химический состав которых приведен

в таблице 1.

Таблица 1

Химический состав исследуемых сплавов

Сплав Основные химические элементы, масс. % Примеси, масс. %

ТС А1 V Ре С 81 Н О N

ТС-6А1 основа 5,8 - 0,07 0,04 0,04 0,005 0,15 0,05

ТС-6А1-4У основа 6,0 4,3 0,3 0,1 0,15 0,005 0,2 0,05

Прокатку прутков 013 мм проводили на прокатном стане ДУО-250 с калиброванными валками. Прокатку полос проводили на том же стане, на плоских валках из предварительно плющенных исходных заготовок с толщины 10-12 мм до 2 мм с суммарной степенью обжатия не менее 80%.

Насыщение водородом от 0,05 до 1 масс.% осуществляли в установке Сивертса в среде высокочистого водорода при температуре 800°С с последующим

охлаждением со скоростями 0,4 и 0,03 К/с.

Количество поглощенного водорода определяли по изменению его давления в системе с известным объемом и контролировали по привесу образцов. Вакуумный отжиг проводили в печи марки СВНЭ-1.31/16-И4. Содержание водорода в образцах после вакуумного отжига определяли спектральным методом.

Количество поглощенного водорода определяли по изменению его давления в системе с известным объемом и контролировали по привесу образцов. Вакуумный отжиг проводили в печи марки СВНЭ-1.31/16-И4. Содержание водорода в образцах после вакуумного отжига определяли спектральным методом.

Термическую обработку проводили в лабораторных печах электросопротивления с воздушной атмосферой типа СНОЛ-1,6.2,5.1/9-И4.

Рентгеноструктурные исследования проводили на дифрактометре ДРОН-4.07 в фильтрованном Ка медном излучении. По результатам рентгеновской съемки производили качественный и количественный анализ фазового состава, а также рассчитывали периоды кристаллических решеток фаз.

Металлографический анализ проводили на оптическом микроскопе "ЫЕОРНОТ-ЗО" при увеличениях до 1000 крат. Кроме того, структуру образцов изучали с помощью просвечивающего электронного микроскопа ШМ-200С на фольгах при увеличениях до 50000 крат.

Испытание на сжатие цилиндрических образцов проводили на универсальной испытательной машине РР-ЮО, усилием 100 кН, в интервале температур 400° - 1050°С со скоростями деформации ео=5-10"1с'1, е0=5-10"2с"', 8о=5-10"3с'' и 8О=5-10"4с"'. Удельные усилия сжатия при заданной степени деформации определяли по формуле:

Я^Р/РоехрС-в,),

где Е|=1пЬо/11, - логарифмическая деформация сжатия при ¡-ой степени деформации; Р, - усилие при ¡-ой степени деформации, которое находится с учетом изменения жесткости образца в процессе деформации; Р0 - начальная площадь поперечного сечения образца.

Испытания на растяжение осуществляли на универсальной испытательной машине РР-100, усилием 100 кН, при повышенных температурах с начальной скоростью деформации ё0=1,4-Ю"3с'', и при нормальной температуре с начальной 8

скоростью деформации 0,1мм от длины рабочей части образца, выраженной мм/мин. Механические свойства: временное сопротивление разрыву (ств), условный предел текучести (ст0д), верхний (сттв) и нижний (стти) пределы текучести, относительное удлинение (6) и относительное сужение (ц/) при нормальной и повышенных температурах определяли согласно ГОСТ 1497-84.

Глава III. ВЛИЯНИЕ ВОДОРОДА НА МИКРОСТРУКТУРУ И ФАЗОВЫЙ СОСТАВ СПЛАВОВ Ть6А1 И Т1-6А1-4У ПРИ НОРМАЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ

Глава посвящена исследованию влияния водорода на микроструктуру и фазовый состав сплавов Т1-6А1 и Т1-6А1-4У.

Микроструктура сплава Т1-6А1 после ковки с исходным содержанием водорода представлена крупнозернистой пластинчатой структурой. После наводороживающего отжига до 0,025; 0,05 и 0,1% водорода при температуре 800°С наблюдается дробление ос-пластин. При содержании водорода около 0,1% в микроструктуре сплава при нормальной температуре отчетливо выявляется гидридная у-фаза, которая образуется в а-фазе из-за переменной растворимости водорода в а-титане. Легирование сплава 0,2% водорода и выше приводит к эвтектоидному распаду р-фазы р~>аэ+5. Поэтому с повышением концентрации водорода до 0,3; 0,5 и 0,7% усиливается процесс фрагментации пластин а-фазы в составе эвтектоида аэ+б. Микроструктура сплава с 0,9% водорода представлена Р-фазой и эвтектоидом аэ+ 5.

Данные рентгеноструктурного анализа показали, что параметр аа а-фазы монотонно снижается с повышением концентрации водорода. Подобное снижение параметра аа может быть обусловлено обогащением а-фазы алюминием при наводороживающем отжиге вследствие стабилизации растворенным водородом Р-фазы и обеднением её по сравнению с а-фазой алюминием. Последующее охлаждение до нормальной температуры приводит к эвтектоидному распаду Р-жэ+5 водородосодержащей Р-фазы. Образующаяся при этом эвтектоидная аэ-фаза обеднена алюминием, а первичная а-фаза обогащена.

Увеличение параметра са а-фазы с повышением концентрации водорода до

0,5% объясняется его внедрением в октоэдрические и тетраэдрические междоузлия решетки ос-фазы и, как следствие, ростом параметра са. Последующее снижение параметра са хорошо согласуется с представлениями об образовании а2-фазы, высокой растворимости водорода в а2-фазе, обеднении первичной а-фазы алюминием и соответствующим снижением в ней концентрации водорода.

Микроструктура сплава "П-6А1-4У после прокатки с исходным содержанием водорода представлена пластинчатой а+Р- структурой. Наводороживающий отжиг при 800°С до концентраций водорода 0,05; 0,1; 0,2 и 0,3% (а+р-область температурно-концентрационной диаграммы) сопровождается увеличением объемной доли Р-фазы и дроблением а-пластин. Гидридная б-фаза при металлографическом анализе выявляется при концентрации водорода в сплаве равной 0,1%, а рентгеноструктурным анализом - при 0,2%. Наводороживание до 0,5; 0,7 и 0,9% водорода при температуре 800°С начинается в а+р-области, а завершается в Р-области. Такой режим наводороживания приводит к формированию более крупнозернистую Р-превращенной структуры, представленной от 60 до 80% Р-фазой и эвтектоидом аэ+5 с крупными пластинами 5-фазы по границам зерен и а-пластин.

Глава IV. ВЛИЯНИЕ ВОДОРОДА НА ПЛАСТИЧНОСТЬ И СОПРОТИВЛЕНИЕ ДЕФОРМАЦИИ СПЛАВОВ Т1-6А1 И Т1-6А1-4У ПРИ ИСПЫТАНИЯХ НА СЖАТИЕ

В главе приведены результаты исследования влияния водорода и температуры на пластичность и сопротивление деформации сплавов Т1-6А1 и Ть 6А1-4У при испытаниях на сжатие.

Если на зависимость удельное усилие сжатия - концентрация водорода в сплаве И-6А1 при исследованных температурах испытаний условно нанести границы а/а+р и а+р/р-переходов, то такое представление наглядно иллюстрирует закономерности влияния не только содержания водорода, но и фазового состава сплава при температуре деформации и содержания водорода на его сопротивление деформации (рис. 1).

Результаты исследования показали, что легирование водородом сплава Т1-6А1 приводит к росту удельных усилий сжатия при деформации в а-области, 10

который усиливается с понижением температуры деформации. Эффект растворного упрочнения водородом сс-фазы и соответствующее повышение удельных усилий сжатия сохраняется при всех исследованных скоростях испытаний.

Рис. 1. Зависимость удельного усилия сжатия (цю) сплава 71-6А1 от концентрации водорода (Сн) при степени деформации £ = 10% (ё0- 5-Ю'3 с')

С дальнейшим повышением концентрации водорода и переходом в а+Р-область удельные усилия сжатия монотонно снижаются до концентрации водорода 0,3-0,5% вследствие повышения объемной доли менее прочной Р-фазы. Сопоставление численный значений удельных усилий сжатия а- и Р-фаз при одинаковых условиях деформации можно получить, используя зависимость Яш-Сн-Если экстраполировать линейную зависимость удельного усилия сжатия (яш-Сн) при степени деформации е=10% (яю) от концентрации водорода (Сн) сплава из Р-области с Сн=1,0; 0,7; 0,5 и 0,3% до Сн=0,004%, то получим, что удельное усилие сжатия р-фазы сплава Т1-6А1, легированной 6% алюминия при степени деформации £=10%, скорости деформации ёо^-Ю^с"1 и температуре 900°С составляет 168 МПа, против 17,1 МПа у а-фазы той же степени легирования в тех же условиях деформации.

При 900°С минимум удельного усилия сжатия Яю~37,7 МПа отмечается при концентрации водорода 0,3%, соответствующей Р-области температурно-

концентрационной диаграммы фазового состава сплава тибА1. При 800°С минимум удельного усилия qго 108 МПа у сплава с 0,3%Н, но эта концентрация водорода соответствует а+(3-области температурно-концентрационной диаграммы сплава Т1-6А1, а с переходом в р-область удельные усилия сжатия линейно возрастают с повышением концентрации водорода. Соотношение удельных усилий сжатия Яю а- и Р-фаз при этой температуре 311 и 76 МПа соответственно.

При температурах 750°, 700°, 650° и 600°С изменяется вид зависимостей Сц, минимум удельных усилий сжатия смещается с 0,3 до 0,5% водорода. С повышением концентрации водорода с 0,5 до 0,7% удельные усилия сжатия резко возрастают, а затем с повышением концентрации водорода с 0,7 до 1,0% интенсивность роста удельных усилий сжатия снижается. Рост удельных усилий сжатия при деформации сплава с содержанием водорода свыше 0,5% обусловлен обогащением а-фазы алюминием вследствие уменьшения ее объемной доли, а также с усилением растворного упрочнения водородом Р-фазы и обогащенной алюминием а-фазы. Снижение интенсивности роста удельных усилий сжатия с повышением содержания водорода свыше 0,7%, мы связываем с образованием упорядоченной а2-фазы.

Благоприятное влияние водорода на повышение пластичности сплава, обусловленное стабилизацией растворенным водородом более пластичной Р-фазы, наиболее очевидно проявляется в интервале температур теплой деформации 400-600°С.

Анализ температурной зависимости удельного усилия сжатия сплава Т1-6А1 с различным содержанием водорода при степени деформации £ =10% и скорости деформации с0= 5-10"3с"' свидетельствует, что в целях максимального снижения деформирующих усилий и гарантированного обеспечения пластичности сплав "П-6А1 целесообразно легировать 0,3-0,5% водорода. Повышение скорости деформации до 5-10"2с"' и 5-10*1с'1 не меняет закономерностей влияния водорода на показатели сопротивления сплава И-6А1 деформации.

Анализ зависимостей удельного усилия сжатия от скорости деформации 1§8о сплава И-6А1 с 0,004% водорода и исходной крупнозернистой пластинчатой структурой при 10% деформации свидетельствует, что она характеризуется

линейной зависимостью при всех исследованных температурах и концентрациях водорода.

В сплаве Т1-6А1-4У наблюдаются, в общем, те же закономерности влияния водорода на зависимости удельных усилий сжатия от степени деформации, которые были отмечены у сплава Т1-6А1.

Как следует из температурной зависимости удельного усилия сжатия при степени деформации е=10% сплава И-6А1-4У с исходной крупнозернистой пластинчатой структурой и различным содержанием водорода в целях обеспечения минимального сопротивления деформации целесообразно легировать 0,2-0,3% водорода.

Принципиальным отличием зависимости Цю-Сн у сплава "П-6А1-4У (рис. 2) от аналогичной зависимости у сплава Т1-6А1 при деформации в а+Р-области является то, что в а+Р-сплаве Т1-6А1-4У из-за наличия Р-фазы в меньшей степени проявляется эффект снижения сопротивления деформации от легирования водородом, минимум удельных усилий сжатия смещается в сторону меньших концентраций водорода, а при концентрациях водорода свыше 0,7% не наблюдается снижение интенсивности роста удельных усилий сжатия.

Рис. 2. Зависимость удельного усилия сжатия (дю) сплава Т1-6А1-4У с пластинчатой структурой от концентрации водорода (Си) при степени деформации £ = 10% (с0 = 5-10'3с')

Влияние водорода на сопротивление деформации сплава Т1-6А1-4У с глобулярно-пластинчатой структурой со средним размером исходного Р-зерна Оср=23 мкм исследовали в температурно-концентрационном интервале а+|3-области при скоростях деформации ¿о = 5-10 ,5-10 и 5-10 с-1.

Уменьшение величины исходного Р-зерна у сплава с глобулярно-пластинчатой структурой до 23 мкм против 308 мкм у сплава с пластинчатой структурой существенно снижает сопротивление сплава деформации при температурах 900° и 800°С. Понижение температуры деформации до 700°С снижает эффект влияния величины зерна на сопротивление деформации. При температуре 600°С сопротивление деформации сплава с пластинчатой структурой Я ю=544 МПа становится равным сопротивлению деформации сплава с глобулярно-пластинчатой структурой, а при температуре 500°С меняется вид зависимости сопротивления деформации от величины зерна: чем мельче зерно, тем выше сопротивление сплава деформации, при всех степенях деформации.

Зависимости удельного усилия сжатия сплава при степени деформации е=Ю% от концентрации водорода сплава с глобулярно-пластинчатой структурой и особенности влияния концентрации водорода и температуры на сопротивление деформации в а+р-области аналогичны особенности сплава с пластинчатой структурой: минимум удельных усилий сжатия лежит в области концентраций водорода 0,2-0,3%; при температуре деформации 500°С, ниже температуры рекристаллизации а- и Р- фаз легирование сплава водородом приводит к упрочнению.

Также как и у сплава с пластинчатой структурой у сплава с глобулярно-пластинчатой структурой со всеми исследованными концентрациями водорода предельная степень деформации до появления первой трещины при температуре 600°С не превышает 50% и снижается с повышением концентрации водорода.

Влияние скорости деформации проявляется в повышении сопротивления деформации у сплава Ть6А1-4У со всеми исследованными концентрациями водорода. При практически значимых температурах деформации сплава, легированного водородом, прослеживается тенденция к повышению коэффициента скоростного упрочнения т=с11£я/с11ёё.

Глава V. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КАТАНЫХ ЗАГОТОВОК

СПЛАВОВ Т1-6А1 и Т1-6А1-4У, ПОСЛЕ ВАКУУМНОГО ОТЖИГА

Механические свойства сплава Т1-6А1 изучали на катаных прутках 013 мм с начальным содержанием водорода 0,004 и 0,3%, а также на катаных полосах толщиной 2 мм из сплавов Т1-6А1 и Ть6А1-4У с содержанием водорода 0,004; 0,3; 0,5 и 0,7%.

После прокатки с температуры нагрева 900°С в прутках сплава Т1-6А1 с 0,004% формируется глобулярно-пластинчатая структура. Микроструктура прутка с 0,3% водорода после прокатки с температуры нагрева 800°С характеризуется более высокой степенью глобуляризации пластин первичной а'-фазы и наличием дисперсной эвтектоидной смеси аэ+8.

Катанные прутки сплава Л-6А1 с 0,004 и 0,3% водорода подвергали вакуумному отжигу при температурах 650° и 700°С в течение 5-и и 3-х часов соответственно. Температуры вакуумного отжига 650° и 700°С назначали из условия получения в прутках рекристаллизованной структуры и в сочетании со временем - полного обезводороживания заготовок.

Вакуумный отжиг прутков с 0,004% при 650°С в течение 5-и часов формирует рекристаллизованную структуру со средним размеров ос-зерна Оф= 15 мкм. В тех же условиях вакуумного отжига прутков с 0,3% водорода формируется частично рекристаллизованная микрокристаллическая структура со средним размером зерна Оф=1,9 мкм. Повышение температуры вакуумного отжига до 700°С приводит к укрупнению первичного а'-зерна до Оср=6,7 мкм.

При нормальной температуре предел прочности сплава возрастает с уменьшением величины зерна от 830МПа у образцов с Оср=15 мкм до 1110 МПа у образцов с Оср=1,9 мкм, а относительное удлинение снижается с 5=13% до 6=8% (табл. 2). Характерной особенностью диаграмм растяжения образцов Р-Д1 является формирование зуба текучести. В интервале температур 20-550°С предел прочности сплава со средней величиной зерна Оср=1,9 мкм выше, а области 600°С вблизи температуры начала рекристаллизации ос-фазы изменение связи предела прочности с величиной зерна: предел прочности снижается с уменьшением размера зерна (рис. 3). Относительное сужение образцов с величиной зерна Оср=1,9 мкм выше во всем интервале температур.

Таблица 2

Механические свойства прутков сплава Т1-6А1 с различной величиной зерна, при

нормальной температуре

Режимы обработки Механические свойства

Оср, мкм МПа стк", МПа св,.МПа 5,%

0,004%Н,1прок=900°С, В.О.* 650°С, 5 часов 15 810 805 830 13 52

0,3%Н, 1прок=800°С, В.О. 700°С, 3 часа 6,7 1110 1080 1080 13 52

0,3%Н, 1прок=800°С, В.О. 650°С, 5 часов 1,9 1135 1110 1110 8 50

*В.О. - вакуумный отжиг.

** атв и ат" - верхний и нижний пределы текучести

Рис 3. Влияние температуры испытаний на механические свойства катаных прутков из сплава 77-6/4/ с различным размера зерна а-фазы после вакуумного отжига при 650 X!

Возможность управления структурой и величиной зерна сплава Т1-6А1 путем пластической деформации и совмещенной с термоводородной обработкой более подробно исследовали на катаных полосах с содержанием водорода С„ = 0,004; 0,3; 0,5 и 0,7%. После прокатки заготовки подвергали вакуумному отжигу при температурах 600°С в течение 7 часов и 700°С в течение 2-х часов. Также как и в случае прокатки прутков температуру вакуумного отжига 700°С назначали из условия получения в полосах рекристаллизованной структуры. Температура 600°С соответствует температуре начала рекристаллизации а-сплава ТьбА, температуре начала дегазации сплава с 0,3% водорода и термической стабильности первичной а-фазы и дегазированной адег-фазы, выделяющейся в процессе распада стабилизированной водородом р-фазы.

Сочетание температуры прокатки 900°С с промежуточными подогревами после каждого прохода и вакуумного отжига при 600°С формирует в сплаве с 0,004% водорода частично рекристаллизованную структуру со средним размером зерна Бф=26 мкм и глобулярными частицами первичной а- фазы, расположенными преимущественно по границам бывшего Р-зерна. Понижение температуры прокатки до 700°С у сплава с 0,3% водорода снижает средний размер динамически рекристаллизованного первичного а-зерна до Оср=1,6 мкм. Вторичная адег- фаза, образовавшаяся в процессе Р->а превращения в процессе дегазации статически не рекристаллизуется. С дальнейшим повышением начальной концентрации водорода до 0,5 и 0,7 % уменьшаются объемная доля и размер первичной а-фазы до 1,1 мкм у сплава с 0,5% водорода до 0,9 мкм у сплава с 0,7% водорода. На дифрактограммах сплава с начальной концентрацией водорода 0,5% выявляется асимметрия дифракционных максимумов, а у сплава с начальной концентрацией водорода 0,7% - их раздвоение. Последнее свидетельствует, что после низкотемпературного вакуумного отжига при 600°С у сплава с начальными концентрациями водорода 0,5 и 0,7% фазовый состав представлен обогащенной алюминием а'-фазы, обедненной алюминием адег-фазой и а2- фазой. У сплава с начальной концентрацией водорода 0,7% при том же фазовом составе, увеличивается объемная доля а2-фазы. Наличие а2- фазы у сплава с начальной концентрацией водорода 0,7% подтверждается результатами электронномикроскоспического анализа фольг.

Изменение в процессе наводороживания, прокатки и вакуумного отжига фазового состава, объемного соотношения фаз, их морфологии и химического состава определяют механические свойства сплава (табл. 3).

Таблица 3

Механические свойства полос сплава Ть6А1 при нормальной температуре с различной начальной концентрацией водорода после вакуумного отжига

Режимы обработки Фазовый состав Оср, мкм а„, МПа 5,%

0,004%Н,ЦОК=900°С, В.О. 600°С, 5 часов а 26 835 13

0,3%Н, 1прок=700°С, В.О. 600°С, 5 часов а'+алег 1,6 1025 13

0,5%Н,1прок=700°С, В.О. 600°С, 5 часов (а'+а2)+аДеГ 1,1 1090 4

0,7%Н,1прок=700°С, В.О. 600°С, 5 часов (а1+а2)+адег 0,9 735 4

0,004%Н, ^рок =900°С, В.О. 700°С,2 часа а 32 790 16

0,3%Н, ЦОК=700°С, В.О. 700°С, 2 часа а'+адег 12 895 16

0,5%Н, 1прок=700°С, В.О. 700°С, 2 часа СС 6,8 925 11

0,7%Н, Цок =700°С, В.О. 700°С, 2 часа а'+адег 3,3 960 7

Установлено, что повышение температуры вакуумного отжига полос из сплава Т1-6А1 с 600°С до 700°С приводит к выравниванию содержания алюминия в первичной и дегазированной а- фазах и растворению 0.2- фазы, усилению процесса статической рекристаллизации а-фазы и укрупнению ее зерна и, как следствие, к снижению предела прочности и повышению пластичности (табл. 3). Растворение а2- фазы у образцов сплава с начальной концентрацией водорода 0,7% исключает одновременное снижение прочности и пластичности, характерное для температуры вакуумного отжига 600°С.

Показано, что двухфазном а+(3- сплаве Т1-6А1-4У наличие Р-фазы при идентичных режимах обработки и идентичных начальных концентрациях водорода меняет фазовый состав сплава, морфологию фаз и, как следствие, закономерности влияния начальной концентрации водорода на механические свойства после вакуумного отжига (табл. 4).

Таблица 4

Механические свойства полос сплава П-бАМУ при нормальной температуре с различной начальной концентрацией водорода после вакуумного отжига при

600°С в течение 7 часов

Режим обработки Фазовый состав Оср, мкм Механические свойства

ств, МПа 5,%

0,004% Н; Ц™ = 900°С а+Р 15,3 965 15

0,3% Н; 1прок = 700°С а' + адег+р 1,6 1110 9

0,5% Н; Цок = 700°С а1 + адег +Р 0,9 1115 8

0,7% Н; Цок = 700°С (а'+сс2)+ адег +Р 0,6 1130 8

Образование при наводороживающем отжиге в структуре сплава И-6А1 с 0,7% водорода а2- фазы приводит к выделению в процессе дегазации при 600°С вторичной ос- фазы, обедненной алюминием, что существенно снижает ее твердорастворное упрочнение. Поэтому, несмотря на уменьшение размера а-зерен, происходит снижение значений прочности (табл. 3). В то же время в сплаве "П-6А1-4У (при тех же концентрации водорода и температуре вакуумного отжига) наблюдается обратная зависимость: несмотря на сниженное содержание алюминия в адег- и Р- фазах, вследствие наличия в структуре а2- фазы, основной вклад в повышение прочности вносит структурное упрочнение за счет измельчения структурных составляющих с увеличением содержания водорода (табл. 4).

На основании испытаний на сжатие а-сплава И-6А1 и а+р-сплава И-бАМУ с различным содержанием водорода, прокатки наводороженных заготовок, исследования режимов дегазации и результатов механических испытаний разработана технология получения и обработки листовых полуфабрикатов из сплавов "П-6А1 и "П-6А1-4У с заданной структурой.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Исследовано влияние водорода на формирование фазового состава и структуры сплавов Т1-6А1 и Т1-6А1-4У. Показано, что в процессе изотермической выдержки и последующего охлаждения с температуры наводороживающего отжига стабилизированная водородом Р- фаза, претерпевает в процессе охлаждения эвтектоидное р~>а+5 превращение, а первичная а1- фаза обогащается алюминием так, что при содержании водорода 0,5-0,9% происходит её частичное упорядочение с образованием а2- фазы.

2. По результатам испытаний на сжатие сплавов Т1-6А1 и Т1-6А1-4У, легированных водородом, в интервале температур 400°-1050°С определены температурно-концентрационные интервалы, обеспечивающие максимальное снижение деформирующих усилий и установлены основные факторы, определяющие в процессе пластической деформации упрочнение и разупрочнение а- и Р- фаз. Установлены температурно-концентрационные интервалы недопустимо низкой, ограниченной и высокой пластичности сплавов.

3. Установлено, что фазовый состав и морфология структурных составляющих катаных заготовок а- сплава Ть6А1 определяются начальной концентрацией водорода в заготовках и температурой вакуумного отжига. Показано, что в процессе наводороживающего отжига с повышением концентрации водорода первичная а1- фаза обогащается алюминием вплоть до образования а2-ф)азы, а при последующем вакуумном отжиге при 600°С происходит образование обедненной алюминием дегазированной адег- фазы и измельчение структурных составляющих. С повышением температуры вакуумного отжига до 700°С происходит выравнивание содержания алюминия по объему а-фазы и некоторое укрупнение а-зерна.

4. Проведено сравнение закономерностей формирования фазового состава и структуры в однофазном а- сплаве Т1-6А1 и двухфазном а+р-сплаве Т1-6А1-4У при идентичных режимах обработки. Показано, что в структуре листов, полученных прокаткой водородосодержащих заготовок из сплава Ть6А1-4У при температуре 700°С и вакуумным отжигом при 600°С, происходит менее интенсивное обогащение первичной а'-фазы алюминием. При этом наблюдается увеличение

концентрации водорода, необходимой для образования а2-фазы с 0,5% для сплава Ti-6A1 до 0,7% для сплава Ti-6A1-4V.

5. Показано, что в а-сплаве Ti-6A1 уровень прочностных и пластических характеристик при нормальной температуре определяется структурным упрочнением, т.е. размером а- зерна, а образование гетерофазной структуры с выделением а2-фазы несмотря на дальнейшее измельчение структуры приводит к снижению прочности вследствие обеднения а- матрицы алюминием. В a+ß- сплаве Ti-6A1-4V наблюдается аналогичная зависимость, однако наличие в структуре стабилизированной ванадием более прочной ß-фазы обусловливает более высокие значения прочности по сравнению со сплавом Ti-6A1 без снижения пластичности.

6. Исследовано влияние размера а- зерна на механические свойства катаных прутков из сплава Ti-6A1 при температурах 20°-750°С.Установленно, что в интервале температур 20°-550°С наблюдается зависимость: чем меньше размер зерна, тем выше значения предела прочности, а при температурах испытаний 600°-750°С, т.е. вблизи температуры начала рекристаллизации а-фазы, зависимость меняется, и предел прочности уменьшается с уменьшением величины зерна.

7. Разработанные научные положения и практические рекомендации использованы Фондом МиТОМ при создании новой водородной технологии производства листов с субмикрокристаллической структурой из сплава ВТ6 (Ti-6A1-4V).

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Носов В.К., Овчинников A.B., Щугорев Ю.Ю. Области применения водородного пластифицирования титановых сплавов. // «Металловедение и термическая обработка металлов». 2008, №8. с.20-24

2. Овчинников A.B., Ильин A.A., Носов В.К., Щугорев Ю.Ю. Влияние фазового состава и условий деформирования на эффект «водородного пластифицирования» водородосодержащих титановых сплавов // Металлы. 2007, №5. с. 69-76

3. Овчинников A.B., Щугорев Ю.Ю., Романова Л.Ю. Влияние фазового состава на закономерности пластической деформации сплава ВТ6, легированного

водородом // Тезисы докладов Всероссийской НТК «НМТ-2004», Издательский центр «МАТИ»-РГТУ, С.79

4. Овчинников A.B., Носов В.К., Поляков O.A., Щугорев Ю.Ю., Машков Е.И. Влияние водорода на механизм пластической деформации титановых сплавов ВТ1-0 и ВТ6 // Доклады 3-й Международной конференция «ТИТАН-2005», 2005, Киев, с.25 8-261

5. Щугорев Ю.Ю., Овчинников A.B. Исследование влияния водорода на сопротивление деформации сплава Ti-6A1-4V // Научные труды МАТИ, Вып.8(80), 2005, М.: Издательский центр «МАТИ»-РГТУ, с.85-87

6. Овчинников A.B., Щугорев Ю.Ю., Поляков O.A. Формирование микроструктуры сплава Ti6Al при прокатке с использованием водородного пластифицирования // Тезисы докладов Всероссийской НТК «НМТ-2006», Издательский центр «МАТИ»-РГТУ, с.97

7. Овчинников A.B., Носов В.К., Щугорев Ю.Ю. Влияние водорода на особенности пластической деформации сплава TiöAl // Доклады Международной конференции "Ti-2007 в СНГ", Украина, Ялта, 2007, с 57.-60

'Ь

Подписано в печать 20.11.2008г. Объем -1 п.л. Тираж -100 экз. Издательско-типографский центр МАТИ, Берниковская набережная, 14

Введение.

Глава I. Состояние вопроса и постановка задач исследовании.

1.1. Общая характеристика титановых сплавов.

1.2. Деформационные способы измельчения структуры титановых сплавов.

1.3. Термоводородная обработка титановых сплавов.

1.3.1. Влияние водорода на фазовые равновесия в титановых сплавах.

1.3.2. Влияние водорода на напряжения течения титана и титановых сплавов.

1.3.3. Фазовые и структурные превращения в наводороженных титановых сплавах при их дегазации.

1.4. Комплексная водородная технология производства деформируемых полуфабрикатов.

Высокие удельные прочностные характеристики и коррозионная стойкость титановых сплавов определяют их широкое применение в различных отраслях промышленности. Развитие современных отраслей машиностроения предъявляет все более возрастающие требования к качеству конструкционных материалов. В связи с этим одной из главных задач металловедения является разработка новых методов упрочняющей обработки промышленных сплавов. В последние годы интенсивно разрабатываются различные способы деформационной обработки, основанные на применении больших пластических деформаций при пониженных температурах. В ходе такой обработки происходит измельчение микроструктуры металлов и сплавов до размеров зерен менее 1 мкм. Формирование ультрамелкозернистой (УМЗ) структуры приводит к значительному повышению прочности при нормальной температуре, и, что особенно важно для последующего изготовления изделий, к повышению технологической пластичности при температурах, пониженных по сравнению с обычными режимами обработки.

В работах научной школы академика РАН Ильина А.А. установлены основополагающие принципы влияния механизма фазовых превращений в титановых сплавах на формирование фазового состава и структуры при воздействии различных технологических факторов. В последнее время интенсивное развитие получило новое направление обработки титановых сплавов водородная технология, основанная на сочетании обратимого легирования водородом с термическим и термомеханическим воздействием [1]. Водородная технология титановых сплавов основана на обратимом легировании титановых сплавов водородом и состоит в наводороживании металла до заданных концентраций, проведении технологических операций с использованием благоприятных эффектов, обусловленных водородом, и, при необходимости, вакуумном отжиге для снижения содержания водорода в деталях и конструкциях до безопасного уровня, при котором не развивается водородная хрупкость в процессе их эксплуатации. Ввиду необычно высокой диффузионной подвижности водород является единственным легирующим элементом, позволяющим осуществить эффективное обратимое легирование.

В проведенных ранее исследованиях было показано, что при рациональном выборе легирования и режимов термической обработки расширяются возможности управления процессами выделения и распада водородосодержащих фаз, а, следовательно, получения регламентированной микроструктуры титановых сплавов. За счет этого можно существенно повысить их пластичность, и на 100-200°С снизить температуру горячей деформации, не повышая деформирующие усилия. Поэтому, есть основания полагать, что применение водородной технологии может оказаться эффективным для получения УМЗ структуры в сплавах титана методами пластической деформации в сочетании с обратимым легированием водородом.

Поэтому установление закономерностей влияния водорода на эволюцию структуры в процессе деформации титановых сплавов и последующего обезводороживающего отжига в вакууме является актуальной. Работа выполнена в рамках научной школы, руководимой академиком РАН Ильиным А.А.

Научная новизна.

1. Показано, что в процессе наводороживающего отжига сплавов Ti-6A1 и Ti-6A1-4V с увеличением концентрации водорода и стабилизации (3-фазы первичная о^-фаза обогащается алюминием и при концентрациях водорода 0,5ч-0,9% в решетке первичной а1 -фазы происходит упорядочение по типу ТлзА1 с образованием (а+аг) структурной составляющей.

2. Установлено, что находящийся в а- и (3-твердом растворе водород вызывает твердорастворное упрочнение а- и (3- фаз и тем самым повышает сопротивление деформации сплавов в однофазном состоянии.

3. Установлено, что сопротивление пластической деформации водородосодержащих сплавов Ti-6A1 и Ti-6A1-4V в верхней части двухфазной а+Р" области понижается с увеличением количества фазы и дроблением пластин а- фазы, вследствие протекания а-»р~ превращения в процессе наводороживания.

4. Показано, что сформированная в процессе вакуумного отжига при 700°С в водородосодержащих катаных полосах из сплавов Ti-6A1 и Ti-6A1-4V структура, содержащая а-зерна размером около 3 мкм (Ti-6A1) и частицы а-фазы размером меньше 1 мкм (Ti-6A1-4V), обеспечивает повышение прочностных характеристик на 10-25% при сохранении удовлетворительной пластичности.

Практическая значимость работы.

1. Получены экспериментальные данные о влиянии водорода, температуры испытаний и скорости деформации на пластичность и сопротивление деформации а- сплава Ti-6A1 и а+Р- сплава Ti-6A1-4V, установлены интервалы температур и концентраций водорода (0,3-0,5% для сплава Ti-6A1 и 0,2-0,3% для сплава Ti-6A1-4V), обеспечивающие максимальное снижение деформирующих усилий. Установлены температурно-концентрационные интервалы недопустимой, ограниченной и высокой пластичности сплавов.

2. Разработаны режимы прокатки и вакуумного отжига заготовок из сплавов Ti-6A1 и Ti-6A1-4V, легированных водородом, позволяющие получать субмикрокристаллическую структуру с размером зерна а- фазы 0,60,9 мкм и повышенными свойствами при нормальной температуре. Разработанные режимы прокатки и вакуумного отжига листовых заготовок из сплава Ti-6A1-4V были использованы Фондом «МиТОМ» при создании водородной технологии производства листов с субмикрокристаллической структурой из этого сплава.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Исследовано влияние водорода на формирование фазового состава и структуры сплавов Ti-6Al и Ti-6A1-4V. Показано, что в процессе изотермической выдержки и последующего охлаждения с температуры наводороживающего отжига стабилизированная водородом (3- фаза, претерпевает в процессе охлаждения эвтектоидное (3->а+5 превращение, а первичная а1- фаза обогащается алюминием так, что при содержании водорода 0,5-0,9% происходит её частичное упорядочение с образованием а,2- фазы.

2. По результатам испытаний на сжатие сплавов TI-6A1 и Ti-6A1-4V, легированных водородом, в интервале температур 400°-1050°С определены температурно-концентрационные интервалы, обеспечивающие максимальное снижение деформирующих усилий и установлены основные факторы, определяющие в процессе пластической деформации упрочнение и разупрочнение а- и (3- фаз. Установлены температурно-концентрационные интервалы недопустимо низкой, ограниченной и высокой пластичности сплавов.

3. Установлено, что фазовый состав и морфология структурных составляющих катаных заготовок а- сплава Ti-6Al определяются начальной концентрацией водорода в заготовках и температурой вакуумного отжига. Показано, что в процессе наводороживающего отжига с повышением концентрации водорода первичная а1- фаза обогащается алюминием вплоть до образования а2-фазы, а при последующем вакуумном отжиге при 600°С происходит образование обедненной алюминием дегазированной адег- фазы и измельчение структурных составляющих. С повышением температуры вакуумного отжига до 700°С происходит выравнивание содержания алюминия по объему а-фазы и некоторое укрупнение а-зерна.

4. Проведено сравнение закономерностей формирования фазового состава и структуры в однофазном а- сплаве Ti-6A1 и двухфазном а+Р-сплаве Ti-6A1-4V при идентичных режимах обработки. Показано, что в структуре листов, полученных прокаткой водородосодержащих заготовок из сплава Ti

6A1-4V при температуре 700°С и вакуумным отжигом при 600°С, происходит менее интенсивное обогащение первичной а!-фазы алюминием. При этом наблюдается увеличение концентрации водорода, необходимой для образования оь-фазы с 0,5% для сплава Ti-6A1 до 0,7% для сплава Ti-6A1-4V.

5. Показано, что в а-сплаве Ti-6A1 уровень прочностных и пластических характеристик при нормальной температуре определяется структурным упрочнением, т.е. размером а- зерна, а образование гетерофазной структуры с выделением а2-фазы несмотря на дальнейшее измельчение структуры приводит к снижению прочности вследствие обеднения а- матрицы алюминием. В а+Р- сплаве Ti-6A1-4V наблюдается аналогичная зависимость, однако наличие в структуре стабилизированной ванадием более прочной Р-фазы обусловливает более высокие значения прочности по сравнению со сплавом Ti-6A1 без снижения пластичности.

6. Исследовано влияние размера а- зерна на механические свойства катаных прутков из сплава Ti-6A1 при температурах 20°-750°С.Установленно, что в интервале температур 20°-550°С наблюдается зависимость: чем меньше размер зерна, тем выше значения предела прочности, а при температурах испытаний 600°-750°С, т.е. вблизи температуры начала рекристаллизации а-фазы, зависимость меняется, и предел прочности уменьшается с уменьшением величины зерна.

7. Разработанные научные положения и практические рекомендации использованы Фондом МиТОМ при создании новой водородной технологии производства листов с субмикрокристаллической структурой из сплава ВТ6 (Ti-6A1-4V).

1.5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО ЛИТЕРАТУРНОМУ ОБЗОРУ, ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

Титан и его сплавы давно стали одними из основных конструкционных материалов для высокотехнологичных отраслей промышленности, таких как авиация, космонавтика, судостроение и т.д. Во многом это произошло благодаря их высоким удельным характеристикам и, прежде всего, удельной прочности, высокой коррозионной прочности и жаропрочности. Титановые сплавы относятся к труднодеформируемым материалам и обладают недостаточной технологической пластичностью. К настоящему времени заложены основы металловедения, металлургических и машиностроительных производства полуфабрикатов и изделий из титановых сплавов. Традиционные способы деформированных полуфабрикатов уже не отвечают требованиям времени как по технико-экономическим показателям производства и в большинстве случаев по уровню эксплуатационных свойств готовых изделий.

В последние годы разрабатываются различные способы деформационной обработки, основанные на применение больших пластических деформаций при пониженных температурах, позволяющие получить субмикрокристаллическую и нанокристаллическую структуры. Между тем необходимость проведения обработки при пониженных температурах неизбежно приводит к росту деформирующих усилий, снижению пластичности, многопереходности, усложнению технологической оснастки, снижению номенклатуры получаемых полуфабрикатов.

С 70-х годов прошлого столетия в России и за рубежом ведутся разработки водородной технологии титановых сплавов. Легирование титановых сплавов водородом сопровождается существенным изменением объемного соотношения и химического состава фаз, измельчением структурных составляющих. Однако до некоторого времени использование водородной технологии были направлены, прежде всего, на формирование необходимых форм и размеров полуфабрикатов. Вопросам структурообразования и влияния структуры и фазового состава на технологические свойства и формированию регламентированной структуры для повышения комплекса эксплуатационных свойств уделялось значительно меньше внимания.

Поэтому цель данной работы состояла в установлении закономерностей влияния дополнительного легирования водородом на формирование фазового состава и структуры сплавов Ti-6A1 и Ti-6A1-4V в процессе пластической деформации и последующего вакуумного отжига и определении на этой основе оптимальных температурно-концентрационных условий обработки, обеспечивающих получение из них катаных полуфабрикатов с заданной структурой и повышенным уровнем механических свойств при нормальной температуре.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- изучить влияние дополнительного легирования водородом на формирование фазового состава и структуры сплавов Ti-6A1 и Ti-6A1-4V;

- установить закономерности влияния температуры испытаний и скорости деформации на пластичность и сопротивление деформации водородосодержащих сплавов Ti-6A1 и Ti-6A1-4V при испытаниях, на сжатие в а-, а+Р- и Р- области;

- определить оптимальные значения температур и концентраций водорода, обеспечивающих получение катаных заготовок из сплавов Ti-6A1 и Ti-6A1-4V;

- исследовать закономерности формирования фазового состава и структуры водородосодержащих заготовок сплавов Ti-6A1 и Ti-6A1-4V при последующем вакуумном отжиге; оценить влияние размера структурных составляющих на механические свойства полученных прокаткой заготовок из сплавов Ti-6A1 и Ti-6A1-4V, дополнительно легированных водородом и подвергнутых вакуумному отжигу при температурах 600° и 700°С.

ГЛАВАII. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ В настоящей работе в качестве объектов исследования были выбраны а-титановый сплавы Ti-6A1 и а+|3-титановый сплав Ti-6A1-4V. Исследования проводили на образцах, вырезанных из прутков и листовых полуфабрикатов, химический состав которых приведен в таблице 2.1.

1. Водородная технология титановых сплавов./А.А.Ильин, Б.А. Колачев, В.К. Носов, A.M. Мамонов/-м.: МИСиС, 2002. 392 с.

2. Ильин А.А. Механизм и кинетика фазовых и структурных превращений в титановых сплавах. — М.: Наука, 1994. 304 с.

3. Ильин А.А., Скворцова С.В., Мамонов A.M., колеров М.Ю. Фазовые и структурные превращения в титановых сплавах разных классов под действием водорода // Титан. 2007, № 1, с. 32-37.

4. Колачев Б.А., Елагин В.И., Ливанов В.А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов: Учебник для вузов. 4-е изд., перераб и доп. - М.: МИСиС, 2005. - 432 с.

5. Металлография титановых сплавов/Кол. авторов. Под общ. ред. д.т.н., проф. С.Г. Глазунова, д.т.н., проф. Б.А. Колачева. М.: Металлургия, 1980.-464 с.

6. R.Z. Valiev, R.K. Islamgaliev, I.V. Alexandrov, Bulk nanostructured materials from severe plastic deformation//Prog. Mater. Sci. 45 (2000) 103189.

7. Жеребцов СВ., Галеев P.M., Валиахметов O.P., Малышева СП., Салищев Г.А., Мышляев М.М. Формирование субмикрокристаллической структуры в титановых сплавах интенсивной пластической деформацией и их механические свойства// КШП. 1999. №7. с. 17-22.

8. Рыбин В.В. Большие пластические деформации разрушение металлов. -М.: Металлургия, 1986.-224 с.

9. V.K. Aleksandrov, N.F. Anoshlcin, G.A. Bochvar et al.: Semi-products of titanium alloys, (Metallurgy, Moscow, 1979) p.512.

10. S. Zherebtsov, A. Mazur, G. Salishchev, V. Lojkowski, Effect of Warm Hydrostatic Extrusion on the Structure and Properties of Ti-6AI-4V Alloy // Mater. Sci. Eng., submitted.

11. V.V. Segal, Processes of Metal Working by Severe Plastic Deformation // Metals, №5, (2006) 130-141 (in Russian).

12. G. J. Raab, R. Z. Valiev, Т. С Lowe and Y. T. Zhu, Continuous processing of ultrafine grained Al by ECAP-Conform // Mater. Sci. Eng. A, 382, (2004) 30-34.

13. Малышева СП., Салищев Г.А., Якушина Е.Б. Влияние холодной прокатки на структуру и механические свойства листов из технического титана // Металловедение и термическая обработка металлов, 2007 (в печати).

14. Stolyarov V. V., Zhu Y.T, Lowe T.C, Valiev R.Z. Microstructure and properties of pure Ti processed by ECAP and cold extrusion // Materials Science and Engineering A303, 2001, P. 2-89.

15. S. Zherebtsov, G. Salishchev, R. Galeyev, K. Maekawa, M. Futakawa. Mechanical Properties of Submicrocrystalline Ti-6AI-4V Titanium Alloy Produced by Severe Plastic Deformation // J. Soc. Experiment. Mech. Jpn. Vol. 5, №3, 2005, pp.286-290.

16. Колачев Б.А., Ильин A.A., Лавренко B.A., Левинский В.В. Гидридные системы. — М.: Металлургия, 1992. 352 с.

17. Б.А. Колачев, В.В. Садков, В.Д. Талалаев, А.В. Фишгойт. Факуумный отжиг титановых конструкций. — М.: Машиностроение, 1991. — 224 с.

18. Ильин А. А., Мамонов A.M. Температурно-концентрационные диаграммы фазового состава водосодержащих многокомпонентных сплавов на основе титана // Металлы (РАН), 1994, № 5, с. 71-78.

19. А.А.Ильин, Б.А. Колачев, О термоводородной обработке титановых сплавов // Термическая, химико-термическая и лазерная обработка сталей и титановых сплавов: Сб.науч.тр./ППИ.-Пермь, 1989, с97-101.

20. Носов В.К., Колачев Б.А. Водородное пластифицирование при горячей деформации титановых сплавов. М: Металлургия, 1986. 118 с.

21. Аксенов Ю.А., Башкин И.О., Колмогоров В.Л. и др. Влияние водорода на пластичность и сопротивление деформации технического титана // ФММ, 1987, т. 67, № 5, с. 993-999.

22. Senkov O.N., Jonas J.J. Solute softening of alpha titanium-hydrogen alloys // Advances in the Sci. and Technol of Titanium Alloys Processing. Anaheim, California, 1996, TMS, 1997, p. 109-115.

23. Senkov O.N., Jonas J.J. Solute strengthening in beta titanium-hydrogen alloys // Advances in the Science and Technology of Titanium Alloys Processing. Anaheim, California, 1996, TMS, 1997, p. 117-124.

24. Носов B.K., Белова С.Б., Чесноков И.Н. Пластичность и сопротивление деформации титанового сплава ВТ5-1, легированных водородом // Металлы (РАН), 1995, №6, с.76-82.

25. Башкин И.О., Малышев В.Ю., Анисимов Ю.А. и др. Влияние водорода на пластичность и сопротивление деформации титанового сплава ВТ6 при температурах до 930°С // ФММ, 1990, № 5, с. 168-174.

26. Анисимов Л.И., Аксенов Ю.А., Бадаева М.Г. и др. Обратимое легирование водородом и деформация титанового сплава ВТ6 // МиТОМ, 1992, № 2, с. 43-45.

27. Механизм и кинетика фазовых и структурных превращений в титановых сплавах. М.: Наука, 1994. - 304 с.

28. Мамонов A.M., Ильин А.А. Фазовые и структурные превращения в водосодержащих жаропрочных титановых сплавах при дегазации // Металлы (РАН), 1994, № 5, с. 104-108.

29. Колачев Б.А., Елагин В.И., Ливанов В.А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. М,: МИСиС, 1999.-416 с.

30. Металловедение титана и его сплавов / С.П. Белов, М.Я.Брун, С.Г. Глазунов и др. Под ред. С.Г. Глазунова и Б.А. Колачева. М.: Металлургия, 1992. - 352 с.

31. Скворцова С.В., Ильин А.А., Гуртовая Г.В., Лукина Е.А., Поляков О.А. Фазовые и структурные превращения, происходящие в титановом сплаве ВТ20Л под действием водорода // Металлы, 2005, № 2, с. 45-53.

32. Колачев Б.А., Носов В.К., Ливанов В.А. и др. Влияние водорода на технологическую пластичность сплава Ti9%Al // Изв. вузов. Цветная металлургия, 1972,; 3, с. 137-142.

33. Колачев Б.А., Ливанов В.А., Носов В.К. Влияние водорода на деформируемость титановых сплавов разного фазового состава // Титан. Металловедение и технология: Тр. III-й Межд. конф. по итану. М.: ВИЛС, 1976, т.З, с. 61-68.

34. Ильин А.А. Фазовые и структурные превращения в титановых сплавах, легированных водородом // Изв. вузов. Цветная металлургия, 1987, № 1, с. 96-101.

35. Kerr W.R., Smith М.Е., Rosenblum F.G. e.a. Hydrogen as an Alloying Element in Titanium (Hydrovac) // Titanium 80: Science and Technol., Proc. 4th Intern. Conf. on Titanium, 1980, Kyoto, p/2477-2486.

36. Ильин А.А., Мамонов A.M., Колеров М.Ю. Научные основы и принципы построения технологических процессов термоводородной обработки титановых сплавов // Металлы (РАН), 1994, № 4,с. 157-168.

37. Колачев Б.А., Ильин А.А., Мамонов A.M. Термоводородная обработка титановых сплавов // Металловедение и обработка титановых и жаропрочных сплавов: Сб. науч. тр. — М.: ВИЛМ, 1991, с. 132-142.

38. Mamonov A.M., Ilyin А.А., Budrik B.B. The thermohydrogen treatment of high temperature titanium alloys with intermetallic strengthening // Proc. 2nd Pacific Rim Intern. Conf. on Advanced Materials and Processing. Korea, 1995, p. 2427-2432.

39. Мамонов A.M., Кусакина Ю.Н., Ильин A.A. Закономерности формирования фазового состава и структуры в жаропрочном титановом сплаве с интерметаллидным упрочнением при легировании водородом // Металлы (РАН), 1999, № 3, с. 84-87.

40. Мамонов С.А. Влияние термоводородной обработки на структуру, текстуру и механические свойства изделий из жаропрочного титанового сплава ВТ18У // Металлы (РАН), 1995, № 6, с. 106-112.

41. Мурзинова М.А., Салищев Г.А., Мазурский М.И., Афоничев Д.Д. Влияние водородного легирования на закономерности изменения структуры титана при деформации // Сб. информационных материалов 2-ой Межд. конф. «ВОМ-98», Донецк, 1998, с. 95.

42. М.И. Мазурский, М.А. Мурзинова, Г.А. Салищев, Д.Д. Афоничев. Использование водородного легирования для формирования субмикрокристаллической структуры в двухфазных титановых сплавах // Металлы, 1995, № 6, с. 83-88.

43. Назимов О.П., Буханова А.А. Спектральное определение водорода в металлах // журнал прикладной спектроскопии, Минск, 1997, т. 27, вып. 6, с. 969-973.

44. Методическая рекомендация. Качественный и количественный рентгеновский анализ фазового состава титановых сплавов. ВИЛС, MP 18-36/СМИ-75, 1975, 39 с.

45. Методическая рекомендация. Измерение параметров решетки титановых сплавов. ВИЛС, MP 30-26-70, 1970, 19 с.

46. Прямое электронно-микроскопическое исследование двухфазных титановых сплавов. Методическая рекомендация. М., ВИЛС, MP 47-2685, 1986. 50 с.

47. Буханова А.А., Колачев Б.А. О диаграмме состояния системы титан-алюминий-водород в интервале температур 500-800С // фазовые равновесия в металлических сплавах: Сб.науч.тр.-М., 19811. УТВЕРЖДисполнительный директор к.т.н. Мамаев B.C.1. АКТ ВНЕДРЕНИЯ

48. Заместитель исполнительного директора1. Минаева Л.П.