автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Влияние содержания алюминия и параметров термомеханической обработки на структуру, фазовый состав и механические свойства полуфабрикатов из интерметаллидного титанового сплава ВТИ-4

На правах рукдпиеи

АЛЕКСЕЕВ ЕВГЕНИЙ БОРИСОВИЧ

ВЛИЯНИЕ СОДЕРЖАНИЯ АЛЮМИНИЯ И ПАРАМЕТРОВ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА СТРУКТУРУ, ФАЗОВЫЙ СОСТАВ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛУФАБРИКАТОВ ИЗ ИНТЕРМЕТАЛЛИДНОГО ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТИ-4

Специальность 05.16.01 «Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 АПР 2015

Москва - 2015

005566614

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

Научный руководитель:

Доктор технических наук, Ночовная Надежда Алексеевна

Официальные оппоненты:

Салищев Геннадий Алексеевич, доктор технических наук, профессор, ФГАОУ ВПО «Белгородский государственный национальный исследовательский университет», руководитель лаборатории объемных наноструюурных материалов

Коллеров Михаил Юрьевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «МАТИ - Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского», профессор кафедры «Материаловедение и технология обработки металлов»

Ведущая организация:

ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», г. Екатеринбург

Защита диссертации состоится « 28 » апреля 2015 г. в 14°° часов на заседании Диссертационного совета Д 403.001.01 при ФГУП «ВИАМ» по адресу: 105005, г. Москва, ул. Радио, д.17.

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

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

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

Автореферат разослан и/^ » 2015 —

Ученый секретарь диссертационного советау^^уу^

кандидат технических наук пЛщ'/ъ^ Шишимиров М.В.

© ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ, 2015

О Алексеев Е.Б., 2015

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В условиях жёсткой конкурентной борьбы перед разработчиками и производителями авиационных ГТД поставлены очень серьёзные задачи по снижению удельного веса двигателей, уменьшению вредных выбросов, снижению уровня шумов и улучшению их экономичности. При этом специалисты считают, что достижение перечисленных показателей ~ на 60% зависит от внедрения новых материалов, поэтому создание и внедрение новых конструкционных материалов, обладающих существенно более высокими эксплуатационными свойствами, является важнейшей задачей.

Титановые сплавы являются одними из основных конструкционных материалов, применяемых в современных авиадвигателях. Однако традиционные жаропрочные титановые сплавы, длительно могут применяться до температур 550 - 600 °С, вследствие интенсивной ползучести, повышенного окисления и склонности к возгоранию при трении.

Наиболее перспективными в настоящее время являются алюминиды титана - интерметаллиды на основе систем Ti-Al и Ti-Al-Nb, которые, обладают высоким комплексом механических характеристик, пожаробезопасностью и повышенным уровнем рабочих температур 650 - 700 °С, а также превосходят по удельной прочности никелевые сплавы, что позволяет снизить вес конструкций из данных сплавов при замене никелевых сплавов на 20-40% и делает исследования в области интерметаллидных титановых сплавов крайне важными.

В настоящее время среди интерметаллидных титановых сплавов наиболее изученным и готовым для внедрения является сплав ВТИ-4. Изначально сплав ВТИ-4 с содержанием 10,0 - 10,5 масс. % AI создавался как матричный материал для изготовления листов, ленты и фольги для композиционных материалов. Пониженное содержание алюминия обеспечивало высокий уровень пластичности, но низкие значения жаропрочных свойств. Для использования сплава ВТИ-4 в конструкции авиационных двигателей необходим более

высокий уровень жаропрочных свойств и создание технологии изготовления деформированных полуфабрикатов. Повышение жаропрочных характеристик сплава ВТИ-4 для применения его в конструкции перспективных ГТД возможно за счет увеличения содержания алюминия. При этом необходимо установить предельную концентрацию алюминия в сплаве, при которой не происходит резкого снижения пластических свойств.

Нужно отметить, что при большом количестве зарубежных статей в открытой публикации не описываются технологии изготовления деформированных полуфабрикатов из интерметаллидных титановых сплавов. Поэтому важной задачей является разработка отечественных технологий изготовления полуфабрикатов из интерметаллидных титановых сплавов и внедрение их в производство.

Цель работы: определение допустимого интервала легирования алюминием интерметаплидного титанового сплава ВТИ-4 на основе орторомбической фазы И2А1ЫЬ и разработка технологии деформационной и термической обработки полуфабрикатов для деталей ГТД.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Установить допустимую степень и температурный интервал деформации интерметаплидного титанового сплава ВТИ-4 на основе орторомбической фазы Т12А1ЫЬ.

2. Изучить влияние содержания алюминия на структурно-фазовый состав и механические свойства интерметаллидного титанового сплава ВТИ-4.

3. Изучить влияние деформационной обработки на структуру, фазовый состав и механические свойства полуфабрикатов из интерметаллидного титанового сплава ВТИ-4 с различным содержанием алюминия.

4. Изучить влияние термической обработки на структуру, фазовый состав и механические свойства полуфабрикатов из интерметаплидного титанового сплава ВТИ-4 с различным содержанием алюминия.

5. На основе установленных закономерностей разработать технологии деформационной и термической обработки полуфабрикатов из сплава ВТИ-4, обеспечивающих получение высокого комплекса пластических, прочностных и жаропрочных свойств.

Научная новизна работы

1. Построен политермический разрез системы Ti-23Nb — AI с содержанием алюминия 11,5 - 13,0 масс. % (23,0 — 25,5 ат. %), определяющий изменение температур фазовых областей (О+Рдг) —* (0+ß(A2+n2)+a2) —> (Р(А2+в2)+«2) ß(A2+B2) интерметаллидного титанового сплава ВТИ-4. Установлено, что снижение содержания алюминия на 1,5 масс. % приводит к расширению температурной области существования а2-фазы на 115 °С за счет повышения температуры фазового превращения Р(А2+в2) + <*2 —* Р(а2+в2) и к снижению температуры перехода упорядоченной рВ2-фазы в разупорядоченную Рлг-фазу на 40°С.

2. Установлено, что зарождение О-фазы (орто-фазы) происходит в областях, обогащенных ниобием за счет протекания процессов диффузии.

3. Установлено, что в сплаве ВТИ-4 с содержанием алюминия 11,5 масс. % повышение температурной области существования а2-фазы на 115 °С приводит к образованию в слитках видманщтетговой структуры внутри первичных ß-зерен.

4. Установлена температура начала интенсивного роста ß-зерен (собирательной рекристаллизации) сплава ВТИ-4, которая составляет 1020 °С. Повышение температуры до 1110 °С приводит к увеличению размера ß-зерен в 2 раза.

Практическая ценность работы

1. Разработана технология изготовления штамповок из сплава ВТИ-4, обеспечивающая получение однородной микроструктуры по всему сечению полуфабрикатов. Выпущена технологическая инструкция ТИ 1.595-8-624-2014.

2. Разработан двухступенчатый режим термической обработки штамповок из сплава ВТИ-4, включающий нагрев до Тр+а2-110 °С, выдержку

5

2 часа, охлаждение на воздухе до комнатной температуры, с последующим нагревом до Тр+а2-160 °С, выдержкой 12 часов и охлаждением с печью до комнатной температуры, обеспечивающий получение в штамповках высокого комплекса пластических, прочностных и жаропрочных свойств: 520 = 7,0 %, \j/20 = 10,5 %, ов20 = 1150 МПа, ст,00650 = 420 МПа.

3. Разработаны и выпущены технические условия ТУ 1-595-8-1458-2014 и дополнение №3 к паспорту №1732 на штамповки из интерметаллидного титанового сплава марки ВТИ-4.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на 5 международных и всероссийских конференциях, семинарах и симпозиумах:

1. Международная конференция «Junior Euromat 2012» (г, Лозана, 2012 г.);

2. Международный семинар по технологии гамма-сплавов «Workshop on Gamma Alloy Technology» (GAT2013, Тулуза, 2013 г.);

3. Международная научно-техническая конференция «Ti-2013 в СНГ» (г. Донецк, 2013 г.);

4. Международный симпозиум по гамма-сплавам на основе TiAl «International Symposium on Gamma TiAl Alloys» (ISGTA 2014, г. Сан-Диего, 2014 г.).

5. Международная научно-техническая конференция «Ti-2014 в СНГ» (г. Нижний Новгород, 2014 г.).

Объем диссертации и её структура. Диссертация содержит 104 страницы текста, 59 рисунков и 27 таблиц. Работа состоит из введения, 5 глав, выводов и списка литературы из 113 наименований.

ГЛАВА I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

В первой главе проведен анализ научно-технической литературы и представлены основные результаты опубликованных исследований ведущих российских и зарубежных ученых в области интерметаллидных сплавов.

Рассмотрены основные принципы повышения пластичности, жаропрочности и термической стабильности сплавов на основе интерметаллидов. Показаны актуальность развития, область применения и перспективы использования интерметаллидных сплавов на основе титана в качестве жаропрочных материалов для деталей и узлов в ракетно-космической технике и в области авиа-двигателестроения.

В главе приведена классификация сплавов на основе интерметаллидов системы Т1-А1 и Т1-А1-ЫЬ, проанализированы исследования в области структурно-фазовых превращений и кристаллографического строения сплавов системы Т1-А1-ЫЬ.

Показано, что наиболее перспективным направлением развития интерметаллидных титановых сплавов связано с разработкой орто-сплавов на основе фазы Т12А1ЫЬ, которым уделяется особое внимание как материалам, способным заменить пожароопасные титановые сплавы ТП100 (США), 1М1834 (Великобритания), ВТ18У (РФ) и более тяжелые никелевые сплавы и стали.

В настоящее время наиболее изученным и подготовленным для внедрения отечественным сплавом является интерметаллидный сплав ВТИ-4. Однако для его использования в конструкции авиационных двигателей необходимо повышение жаропрочных свойств, которое возможно за счет увеличения содержания алюминия, и разработка технологии изготовления деформированных полуфабрикатов, обеспечивающей формирование заданного структурно-фазового состояния.

Сформулирована цель и конкретные задачи исследования.

ГЛАВА II. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Во второй главе приведены основные материалы и методы исследований, примененные при выполнении диссертационной работы для исследования закономерностей формирования структуры, фазового состава и механических свойств интерметаллидных титановых сплавов на основе фазы Т|'2А1№>.

Исследования проводили на интерметаллидном титановом сплаве ВТИ-4 с содержанием алюминия 11,5 масс % и 13,0 масс. % (ВТИ-4А). Расчетный

химический состав сплавов приведен в таблице 1.

Таблица 1

Расчетный химический состав слитков сплавов ВТИ-4 и ВТИ-4А

Сплав Леги рующие элементы, масс. %

Ti Al Nb | Zr | V Mo | Si

масс. %

ВТИ-4А осн. 13,0 40 1,3 1,3 0,8 0,2

ВТИ-4 осн. 11,5 40 1,3 1,3 0,8 0,2

ат. %

ВТИ-4А осн. 25,5 23,0 0,76 1,36 0,45 0,38

ВТИ-4 осн. 23,0 23,3 0,77 1,38 0,45 0,39

Выплавку прессованных электродов и слитков проводили в вакуумных дуговых печах ВД7 и VAR L200 (фирмы ALD) методом трехкратного переплава. Ковку слитков, осадку и всестороннюю изотермическую штамповку полуфабрикатов осуществляли на гидравлическом прессе с усилием 1600 т с установкой УИДИН 500.

Спектральный рентгено-флуоресцентный анализ проводили на спектрометре S4 EXPLORER согласно ГОСТ 23902. Атомно-эмиссионный анализ с индуктивно связанной плазмой проводили на атомно-эмиссионном спектрометре Varían 730ES по методике измерений МИ 1.2.016-2010.

Исследование микроструктуры проводили методом светлого поля на металлографическом микроскопе Versamet в соответствии с ПИ 1054 «Металлографический анализ титановых сплавов» при увеличениях х75 -х 1200 крат. Количественный фазовый анализ проводили на инвертированном оптическом микроскопе Leica DM IRM и стереомикроскопе Leica Mzl2,5 при увеличениях хЮ - хЮОО крат по ГОСТ 21073-75. Съемку изображений вели при помощи цифровой камеры VEC-335 (3 мегапиксела).

Качественный фазовый анализ осуществляли с помощью рентгеновских дифрактометров общего назначения (ДРОН-ЗМ и ДРОН-4-07 с монохроматическим СиА'а излучением) в соответствии с ММ 1.595-17-222-2004.

Испытания на кратковременную прочность при комнатной проводили на испытательной машине ИР 5113 согласно ГОСТ 1497.

Испытания на длительную прочность: база — 100 час при температуре 650°С проводили на испытательной машине г8Т 2/3 согласно ГОСТ 10145.

Испытания на ударную вязкость с концентратором вида «и» (КСи): проводили на копере ПСВО-ЗО согласно ГОСТ 9454.

Определение допустимой степени деформации проводили осадкой цилиндрических образцов 015x20 мм в контейнерах при повышенной температуре на гидростатическом одноколонном прессе усилием 25 тс по ГОСТ 8817.

Определение температур фазовых превращений методом дифференциального термического анализа и построения кривых проводили на установке для измерения теплоемкости 08С 404 П согласно РТМ 1.2.032 - 83 и ММ 1.2.068-2006 со скоростями нагрева и охлаждения 10 и 20 К/мин.

ГЛАВА III. ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕРМЕТАЛЛИДНОГО ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТИ-4А С ПОВЫШЕННЫМ СОДЕРЖАНИЕМ АЛЮМИНИЯ

В третьей главе с целью выбора режимов деформации и разработки технологии изготовления полуфабрикатов из сплава ВТИ-4А с повышенным содержанием алюминия (13,0 масс. %) проведено исследование термомеханических параметров горячей деформации литого материала (температуры и степени деформации) и определен фазовый состав во всем диапазоне температур деформации.

Для определения параметров деформационной обработки сплава ВТИ-4А из центральной зоны выплавленных слитков были изготовлены цилиндрические образцы размером 0 15x20 мм. Осадку образцов проводили на прессе усилием 25 тс с заданной степенью деформации 50 и 75 % в интервале температур от 800 до 1180 °С. Время выдержки при заданной температуре составляло 10 минут, после чего осуществлялась закалку в воду.

По результатам определения допустимой степени деформации образцов установлено, что температура горячей обработки давлением сплава ВТИ-4А, при которой не происходит упрочнения (наклепа), составляет 1000 °С, а степень деформации - 75 %. Снижение температуры деформации приводит к упрочнению материала и допустимая степень деформации составляет 70 % при минимальной температуре 900 °С (рис. 1 а). При температуре 850 °С осадка на

9

прессе сильно затруднена и максимальная степень деформации образцов не превышает значений 68 %, при этом на осаженных образцах выявили поверхностные дефекты в виде трещин (рис. 1 б, в). При понижение температуры до 800 °С удельного усилия 1373 МПа (-140 кгс/мм2), развиваемого прессом 25 тс, оказалось недостаточно и степень деформации не превысила 2-3%.

а) Т = 900 °С, е = Рисунок 1 —

В связи с неудовлетворительными результатами испытаний при температуре 850 °С были проведены дополнительные исследования влияния времени выдержки и технологической схемы деформации на технологическую пластичность. Установлено, что увеличение времени выдержки в два раза с 10 (е = 68 %) до 20 минут (е = 43 %) и повышение количества деформационных переделов с промежуточными подогревами приводят к снижению фактической степени осадки, при этом на всех образцах по итогам осадки выявили трещины.

Учитывая масштабный фактор образцов и слитков, в том числе наличие высокого уровня внутренних напряжений в слитках, которые могут привести к появлению трещин, допустимая степень деформации слитков при изготовлении полуфабрикатов должна быть ниже 70 %. Поэтому исследование структуры проводили на образцах, осаженных со степенью деформации 50 %. В микроструктуре всех образцов четко выражены две зоны - интенсивной и затрудненной деформации, формирование которых обусловлено наличием сил трения на поверхностях контакта образцов и стального контейнера, и подхолаживанием торцов образцов при контакте с бойками. Для устранения структурной неоднородности необходим подогрев штампов и применение защитных покрытий, обеспечивающих снижение силы трения.

в) Т = 850 °С, е = 68% из сплава ВТИ-4А

71% б) Т = 850 °С, s = 50% Внешний вид осаженных образцов

Результаты рентгеноструктурного фазового анализа образцов, осаженных в интервале температур от 800 до 1180 °С, и дополнительных образцов, закаленных с температур 770 и 1220 °С, позволили установить температурный интервал существования фазовых областей, которые показали, что снижение фактической степени деформации при понижении температуры деформации ниже 1000 °С и увеличении времени выдержки при данных температурах вызвано распадом пластичной Р-фазы с образованием из нее интерметаллидных а2- и О-фазы (рис. 2).

Фактическая степень деформации, %

двухфазная - трехфазная - двухфазная - однофазная

■область (0+р+а2)-область (Р(А2+В2)+а2)~°бласть р-область

о о ш

-- РА2 | *(А2+1 1 Р(А2+В2 \ Р А2

Ч ! ||

1 ! |

о+Ри2 / С |+Р+а |!< 1-е <2

]

С,',..,¡13

700 750 800 850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 Температура деформации образцов, °С_

Рисунок 2 - Влияния термомеханической обработки и фазового состава на допустимую степень деформации сплава ВТИ-4А

Таким образом, установлено, что минимальная температура начала деформации слитков сплава ВТИ-4А и первых этапов деформации должна соответствовать однофазной р-области и проводиться при температуре выше 1000 °С. Степень деформации не должна превышать 50 % за один технологический переход, что обеспечит отсутствие поверхностных дефектов.

ГЛАВА IV. ВЛИЯНИЕ РЕЖИМОВ ДЕФОРМАЦИОННОЙ И ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТОК НА СТРУКТУРУ, ФАЗОВЫЙ СОСТАВ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ИНТЕРМЕТАЛЛИДНОГО ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТИ-4А С ПОВЫШЕННЫМ СОДЕРЖАНИЕМ АЛЮМИНИЯ

В четвертой главе представлены результаты исследования влияния

деформационной и термической обработок на структуру, фазовый состав и

механические свойства сплава ВТИ-4А.

11

Поскольку выявленная в предыдущей главе закономерность показала достаточную технологическую пластичность сплава ВТИ-4А при прямой осадке, по данной схеме за несколько промежуточных этапов была изготовлена штамповка осадкой без всесторонних перековов. Микроструктура слитка представлена крупными зернами первичной р-фазы с пластинами О-фазы (рис. 3 а), а микроструктура штамповки, изготовленной прямой осадкой, завершающая деформация которой велась при температуре 1050 °С в однофазной р-области (Тр+65 °С), представлена зернами Р-фазы размером от 250 до 500 мкм (рис. 3 б).

Рисунок 3 — Микроструктура слитка (а) и штамповки из сплава ВТИ-4А, изготовленной прямой осадкой (б)

С целью исследования влияния термической обработки на механические свойства изготовленной штамповки, по результатам определения температур фазовых областей были выбраны режимы термической обработки, которые проводили в однофазной р-области и в трехфазной (0+/?+а2)-области (таблица 2).

По результатам проведенных механических испытаний на растяжение при 20 °С образцов штамповки из сплава ВТИ-4А установлено влияние температуры нагрева и времени выдержки I и II ступеней термической обработки на механические свойства (рис 4).

Как можно видеть из результатов механических испытаний первой группы образцов (рис. 4) режим термической обработки 1.3: нагрев до 1000 °С, выдержка 1 час, охлаждение на воздухе до комнатной температуры с последующим нагревом до 800 °С в трехфазной (О+Рдг+с^-области, выдержкой 7 часов и охлаждением на воздухе, обеспечивает высокую прочность ав20 = 1226 МПа при пластичности 520 = 1,4 %.

Таблица 2

Режимы термической обработки образцов из штамповки, изготовленной _из сплава ВТИ-4А прямой осадкой_

№ п/п I ступень 11 ступень

Т1,°С Фазовая область Время, т1, ч Охл. Т2, °С Фазовая область Время, т2, ч Охл.

1. Закалка на воздухе + старение

1.1 900 Т - 65°С В*и2 1 Воздух 800 Т - 165-С Р+02 7 Воздух

1.2 950 т - 15°С В*а2

1.3 1000 Т+ 15°С в

1.4 1040 Т + 55°С

1.5 1000 Т + 15°С 0,5 Воздух 800 Т - 165°С р+а2 7 Воздух

1.6 1000 Т + 15°С 2

1.7 1000 Т + 15°С 1 Воздух 750 Г 2]5°С 7 Воздух

1.8 1000 Т + 15°С 1 Воздух 850 Т -115°С В о2

1.9 1000 Т + 15°С 1 Воздух 800 т -165"С 14 Воздух

2. Нагрев, охлаждение с печыо + старение

2.1 950 Т - 15°С В*о2 1 С печью до 800 Тр+о2- 165 С 7 Воздух

2.2 1040 Т + 55°С 7 Воздух

2.3 950 Т - 15°С 4 Воздух

2.4 950 Т - 15°С В+а2 10 Воздух

где, Тр+а2 - температура фазового превращения О + Р(А2+в2) + а2 —> Р<А2+в2) + «2, Тр - температура фазового превращения Р(Аг+в2) + а2 —> Р<а2+в2),

Нужно отметить, что, как уже было сказано ранее, увеличение времени выдержки при температурах ниже 1000 °С приводит к снижению пластичности сплава за счет распада Р-фазы и образования из нее а2- и О-фазы.

При исследовании второй группы образцов, установлено, что термическая обработка (режим 2.2), включающая охлаждение с печью, обеспечивает повышение пластичности сплава ВТИ-4А до 520 = 3,4 %, однако приводит к снижению прочности до ав20 = 1040 МПа.

На основании проведенных исследований становится очевидным, что получить высокий комплекс прочностных и пластических свойств при изготовлении штамповки прямой осадкой не представляется возможным. Поэтому на втором этапе работы штамповка была изготовлена по схеме деформации, включающей всестороннюю ковку.

•Прочность, МПа ИОтносительное удлинение, % 1350 . ; ; [ ■ fcii ¡¡li, I : . ; : ; | 4

■ W> !J 2 , . „

1300 ---- : . . ..д.-г. . 12 <> + • 3,5 =

S

я 1250 jj 1200 5,1150 ■ 1100

Температура,°C

3 1050 f^H+H-Tij;':! I: liTI H-1—!- 0,5 '' 1000

0 i

850 900 950 1000 1050 1100

•Прочность, МПа ■ Относительное удлинение, 1300

0 0,5 1 1,5 2 2,5 Продолжительность выдержки, ч

(а)

(б)

• Прочность, МПа ■ Относительное удлинение, %

а 1350 | | м ,,h< | f , I ; I ; , ! ; 2

g 1300

S 1250

I 1200

J

g, 1150

S 1 1 ¡W I í i i i i i 1 I i i i 0,5

1050 1000

750 800 8: Температура, °С

•Прочность, МПа Я Относительное удлинение, ° 1350 т-----1--г 1,1

1200 1150

5 7 9 11 13 15 Продолжительность выдержки, ч

(в) (г)

Рисунок 4 - Зависимость механических свойств первой группы образцов из штамповки сплава ВТИ-4А от: температуры Т1 нагрева под закалку (г/, Т2, х2 - const) (а), времени выдержки т1 под закалку с температуры 1000 ° С (77, Т2, х2 - const) (б), температуры Т2 старения (77, х 1, х2 - const) (в), времени выдержки т2 при температуре старения 800 ° С (77, х 1, Т2 — const) (г)

Проведение дополнительных деформационных переделов при изготовлении штамповки со всесторонними перековами, позволило измельчить структуру (размер зерна составлял 150-350 мкм), а снижение заключительной температуры деформации до 1015 °С (Тр+30 °С) привело к выделению внутри и по границе Р-зерен дисперсных частиц а2-фазы, которые отчетливо видны на фотографиях, сделанных на растровом электронном микроскопе (рис. 5 б). При этом наиболее обогащенные Nb области (светлые), которые являются предпочтительными местами для образования и роста диффузионным путем О-фазы, располагаются на границе раздела Р-фазы и дисперсных частиц сь-фазы.

Рисунок 5 — Структура штамповки из сплава ВТИ-4А, изготовленной по схеме деформации со всесторонними перековами: оптическое изображение (а), РЭМ (б)

По результатам механических испытаний образцов из штамповки, изготовленной со всесторонними перековами, термически обработанных по выбранному выше режиму 1.3, установлено, что снижение температуры осадки и проведение всесторонних перековов за счет лучшей проработки структуры, обеспечивает повышение, как пластических (520 с 1,4 до 2,9 %), так и прочностных свойств (ав20с 1226 до 1255 МПа).

Испытания на длительную прочность при температурах 650 и 750 °С образцов из штамповки сплава ВТИ-4А с содержанием алюминия 13,0 масс. % (рис. 6) показали высокие значения данной характеристики, которые составляют 520 МПа за 100 часов при 650°С, в то время как у сплава ВТИ-4 с 10,0 % А1 длительная прочность за 100 часов при температуре 650 °С

Рисунок 6 - Зависимость времени до разрушения образцов из штамповки сплава ВТИ-4А, изготовленной со всесторонними перековами, от приложенного напряжения при температурах испытания 650 и 750 °С

15

Таким образом, результаты проведенных исследований показали возможность повышения жаропрочных свойств сплава ВТИ-4 (с 310 до 520 МПа за 100 часов при температуре испытаний 650 °С) за счет увеличения содержания алюминия. Однако сплав ВТИ-4А с 13,0 масс. % А1 обладает низкой пластичностью 520 = 2,9 % (для сплава ВТИ-4 с 10,0 масс. % А1 520 = 8,5 %), недостаточной для изготовления из него ответственных деталей авиационного назначения. Следовательно, на основании анализа полученных данных, можно сделать заключение, что для достижения высокого комплекса прочностных, жаропрочных и пластических свойств, содержание алюминия в серийном сплаве ВТИ-4 должно находиться в интервале от 10,0 до 13,0 масс. %.

ГЛАВА V. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ШТАМПОВОК И ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ АЛЮМИНИЯ НА СТРУКТУРУ, ФАЗОВЫЙ СОСТАВ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ИНТЕРМЕТАЛЛИДНОГО ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТИ-4

В представленной главе проведено исследование влияния алюминия на структуру, фазовый состав и механические свойства интерметаллидных титановых сплавов на основе орторомбической фазы ТСгАГКЬ и разработана технология изготовления полуфабрикатов из интерметаллидного титанового сплава ВТИ-4 для деталей авиационных двигателей с высоким комплексом эксплуатационных свойств и рабочей температурой до 650 °С.

Поскольку в главе IV была показана возможность повышения кратковременной (ав = 1255 МПа) и длительной (а100б5° = 520 МПа) прочности сплава ВТИ-4 за счет увеличения содержания А1, но в тоже время было установлено негативное влияние повышенного содержания алюминия на пластические свойства (8 = 2,9 %), то для разработки технологии изготовления полуфабрикатов (штамповки) из сплава ВТИ-4 в промышленных условиях ОАО ЧМЗ был выплавлен крупногабаритный слиток с содержанием алюминия 11,5 масс. %. Необходимо отметить, что в слитке сплава ВТИ-4 наблюдается образование видманштеттовой (0+Р)-структуры, заполняющей все первичное Р-зерно (рис. 7), с размером внутризеренных частиц 1-10 мкм. В то время как в сплаве с повышенным содержанием алюминия происходило образование

пластинчатых выделений О-фазы внутри зерна (рис. 3 о).

16

Рисунок 7 — Микроструктура слитка сплава ВТИ-4А

Проведено исследование механических свойств литого материала в интервале температур 20 - 650°С, которое показало, что при температуре выше 400 °С происходит снижение механических свойств сплава ВТИ-4 (рис. 8).

& с

1200 1100 1000 900 800 700 600 500

25,0 к

и

20,0 X о

15,0 1 а?

и К

10,0 ЕС ? & и о

5,0 Ё

О

0,0 5

100 200 300 400 500 600 700 _Температура, °С_

Рисунок 8 - Влияния температуры на механические свойства слитка сплава ВТИ-4

Для выбора режимов деформации методом закалки в воду образцов в интервале температур от 870 до 1110 °С через каждые 30 °С определили температуры фазовых превращений и начала собирательной рекристаллизации.

Установлено, что температура фазового перехода в однофазную Р(А2+в2)-область составляет 1100°С. Переход из трехфазной (0+Р(А2+в2)+а2)-области в двухфазную (Р(А2+В2)+а2)-область происходит при 1010°С. Проведенный металлографический анализ закаленных образцов также выявил, что температура начала собирательной рекристаллизации для сплава ВТИ-4, при которой начинается рост первичных р-зерен, составляет 1020 °С. Повышение температуры до 1110 °С приводит к увеличению размера зерна в 2 раза (3525 мкм).

17

На основании проведенного металлографического исследования была разработана термомеханическая схема деформационной обработки со всесторонними перековами и изменением оси деформации (рис. 9), которая позволила получить в заготовке на промежуточном этапе деформации в двухфазной (р(А2+В2)+а2)-области полностью рекристаллизованные зерена равноосной формы размером 100 - 300 мкм (рис. 10 а). Микроструктура штамповки после завершающей стадии деформации в (0+р(А2+в2)+а2)-области выражена глобулярными зернами р-фазы размером 50 - 250 мкм с дисперсными частицами а2-и О-фазы, расположенным внутри и по границе зерен (рис. 10 б).

т, °с Деформация Выдержка (отжиг)

.....\ • т„

______/._._ Тр+а,

/1

т

Рисунок 9 - Схема термомеханической обработки для изготовления штамповки

из сплава ВТИ-4

Рисунок 10 — Микроструктура заготовки из сплава ВТИ-4 после деформации в двухфазной (Р(Л2+в2)+сь)-области (а), штамповки после завершающей стадии деформации в (0+р(А2+в2)+а2)-области (б)

Для выбора режима термической обработки на образцах из штамповки

сплава ВТИ-4 провели рентгеноструктурный анализ образцов, закаленных в

воду в интервале температур 750 - 1200 °С (время выдержки 30 минут) и

18

построили ДСК кривые, которые коррелируют с результатами металлографического анализа.

Проведенные исследования фазового состава сплавов ВТИ-4 и ВТИ-4А позволили уточнить имеющиеся в литературе политермические разрезы 11-23А1 - КЬ ат. % и И-25А1 - 1ЧЬ ат. %. По уточненным данным был построен политермический разрез 11-23КЬ - А1 с содержанием алюминия 11,5 - 13,0 масс.% (23,0-25,5 ат.%) (рис. 11).

Рисунок 11 - Политермический разрез Ть23Мэ - А1 (ат. %) с содержанием алюминия 23,0 - 25,5 ат. % (11,5 - 13,0 масс. %)

Таким образом, сравнение результатов фазового анализа образцов из сплава ВТИ-4 с 11,5 и 13 масс. % алюминия выявило, что снижение содержания алюминия на 1,5 масс. % приводит к расширению температурной области существования а2-фазы на 115 °С за счет повышения температуры фазового превращения Р(А2+в2) + а2 Р(а2+в2) и к снижению температуры перехода упорядоченной рВ2-фазы в разупорядоченную Рдг-фазу на 40°С

Согласно установленным температурам фазовых превращений сплава ВТИ-4 с 11,5 масс. % алюминия выбрали режимы термической обработки штамповки, которые включали нагрев в двухфазной (р(А2+в2)+аг)- и трехфазной (0+Р(А2+в2)+<*2)-°бласти (таблица 3).

Таблица 3

Механические свойства образцов из штамповки интерметаллидного титанового сплава ВТИ-4 в исходном состоянии и после термической обработки

Режим ТО ~ 20 „ 20 ^0,2 , 82", V0,

I ступень II ступень МПа МПа % %

Исх Исходное состояние 1318 - 1,6 2,8

TOI 1030 °С, 30 минут, воздух Т^ +20°С 850 "С, 12 часов, воздух 1103 1088 2,2 5,2

Т02 930 °С, 2 часа, воздух Т. ,-80°С р+о2 850 °С, 12 часов, воздух 1073 1044 3,4 5,7

ТОЗ 900 "С, 2 часа, воздух т^-ио-с 850 °С, 12 часов, воздух Т ,-160°С 1095 1058 3,3 5,4

Т04 900 °С, 2 часа, воздух Т. ,-110°С й+а2 850 °С, 12 часов, с печью 1150 1047 7,0 10,5

Установлено, что наиболее высокий уровень механических свойств за счет образования дисперсной внутризеренной структуры (рис. 12) обеспечивает режим Т04: нагрев до температуры Т^-110 °С, выдержка 2 часа, охлаждение на воздухе до комнатной температуры с последующим нагревом до Тр+а2-160 °С, выдержкой 12 часов и охлаждением с печью, который проводили в трехфазной (0+Р(А2+в2)+а2)-области. Повышение температуры нагрева первой ступени и охлаждение на воздухе после второй ступени ТО приводит к снижению механических свойств.

Рисунок 12 — Микроструктура образцов штамповки из сплава ВТИ-4 после термической обработки: оптическое изображение (а), светлопольное изображение ПЭМ (б)

Подводя итоги проделанной работы, нужно отметить, что разработанные технологии деформационной и термической обработки сплава ВТИ-4 с содержанием алюминия 11,5 масс. % позволили достичь повышения ударной вязкости с 27 до 63 кДж/м2, прочности с 1100 до 1150 МПа и длительной прочности с 310 до 420 МПа при температуре 650 °С за 100 часов по сравнению

со сплавом, содержащим 10,0 масс. % А1. А также увеличить пластичность с 2,9 до 7,0 % по сравнению со сплавом, содержащим 13,0 масс. % А1 (рис. 13).

Рисунок 13 - Влияние содержания алюминия на свойства сплава ВТИ-4: кратковременная прочность при 20 °С (а), длительна прочность за 100 часов при 650 °С (б), относительное удлинение при 20 °С (в), ударная вязкость КСи (г)

Таким образом, было подтверждено, что для изготовления деталей авиационного назначения содержание алюминия в сплаве ВТИ-4 должно составлять 11,5 - 12,0 масс. %. Это обеспечивает получение высокого комплекса механических свойств и повышение жаропрочных свойств.

По результатам работы были разработаны и выпущены: технологическая инструкция ТИ 1.595-8-624-2014, технические условия ТУ 1-595-8-1458-2014 и дополнение №3 к паспорту № 1732 на штамповки из интерметаллидного титанового сплава марки ВТИ-4.

(а)

(б)

-&Д-

2,9

10,0 %А1 11,5 %А1 13,0 %А1 Содержание алюминия, масс. %

(в)

70 60 50 40 30 20 10 0

27

10,0 %А1 11,5 %А1

Содержание алюминия, масс. %

(г)

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Построен политермический разрез системы Т1-23ЫЬ - А1 с содержанием алюминия 11,5 - 13,0 масс. % (23,0 - 25,5 ат. %), определяющий изменение температур фазовых областей (0+рЛ2) —► (0+р(А2+в2)+а2) —> (Р(А2+В2)+И2) -* Р(А2+в2) интерметаллидного титанового сплава ВТИ-4. Установлено, что снижение содержания алюминия на 1,5 масс. % приводит к расширению температурной области существования а2-фазы на 115 °С за счет повышения температуры фазового превращения Р(А2+В2) + а2 —► Р(а2+в2) и к снижению температуры перехода упорядоченной рВ2-фазы в разупорядоченную рдг-фазу на 40°С.

2. Установлено, что зарождение О-фазы (орто-фазы) происходит в областях, обогащенных ниобием за счет протекания процессов диффузии.

3. Установлено, что в сплаве ВТИ-4 с содержанием алюминия 11,5 масс. % повышение температурной области существования а2-фазы на 115°С приводит к образованию в слитках видманштетговой структуры внутри первичных р-зерен.

4. Разработана технология изготовления штамповок из сплава ВТИ-4, обеспечивающая получение однородной микроструктуры по всему сечению полуфабрикатов с размером Р-зерен 50 - 250 мкм и дисперсными выделениями частиц а2- и О-фазы. Выпущена технологическая инструкция ТИ 1.595-8-624-2014.

5. Разработан двухступенчатый режим термической обработки штамповок из сплава ВТИ-4, обеспечивающий получение в штамповках высокого комплекса пластических, прочностных и жаропрочных свойств. Установлено, что нагрев до трехфазной (0+Р(А2+в2)+а2)-области (900 °С) позволяет получить дисперсную структуру, а охлаждение с печью обеспечивает протекание диффузионных процессов, приводящих к растворению а2-фазы, формированию равновесной (0+Р)-структуры и разупорядочиванию р-фазы (Рв2).

6. Проведено сравнение комплекса механических свойств интерметаллидного титанового сплава ВТИ-4, содержащего 10,0, 11,5 и 13,0 масс. % А1. Установлено, что увеличение содержания алюминия с 10,0 до 13,0 масс. % приводит к повышению прочностных (ов2° с 1100 до 1255 МПа) и жаропрочных свойств (стюо650 с 310 до 520 МПа за 100 часов при 650 °С), но снижает пластичность сплава (520 с 8,5 до 2,9 %). Определено, что содержание алюминия 11,5 масс. % обеспечивает получение высокого комплекса как

пластических, так и прочностных и жаропрочных свойств: 520 - 7,0 %, \|/20 = 10,5 %, ств20 = 1150 МПа, о,00650= 420 МПа.

7. По результатам работы были разработаны и выпущены технические условия ТУ 1-595-8-1458-2014 и дополнение №3 к паспорту №1732 на штамповки из интерметаллидного титанового сплава марки ВТИ-4.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях: Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Ночовная H.A., Алексеев Е.Б., Ясинский К.К., Кочетков A.C. Специфика плавки и способы получения слитков интерметаллидных титановых сплавов с повышенным содержанием ниобия // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». 2011. №S2. С. 53-59.

2. Ночовная H.A., Иванов В.И., Алексеев Е.Б., Кочетков A.C. Пути оптимизации эксплуатационных свойств сплавов на основе интерметаллидов титана// Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 196-206.

3. Ночовная H.A., Скворцова C.B., Анищук Д.С., Алексеев Е.Б., Панин П.В., Умарова О.С. Отработка технологии опытного жаропрочного сплава на основе интерметаллида Ti2AlNb // Титан. 2013. №4. С. 33-38.

4. Алексеев Е.Б., Ночовная H.A., Скворцова C.B., Панин П.В., Умарова О.З. Определение технологических параметров деформации опытного жаропрочного сплава на основе интерметаллида Ti2AlNb // Титан. 2014. №2. С. 36-41.

5. Алексеев Е.Б., Ночовная H.A., Панин П.В. Исследование структуры и фазового состава опытного жаропрочного сплава на основе интерметаллида Ti2AlNb в деформированном состоянии // Титан. 2014. №4. С. 12-17.

6. Алексеев Е.Б., Ночовная H.A., Иванов В.И., Панин П.В., Новак A.B. Исследование влияния алюминия на фазовый состав и термомеханический режим изотермической штамповки интерметаллидного сплава ВТИ-4 // Технология легких сплавов. 2015. №1. С. 57-61.

Другие публикации

1. Nochovnaya N., Ivanov V., Alexeev Е, Izotova A. Opportunities of increase of mechanical properties of the deformed semifinished products from Ti-Al-Nb system alloys // Ti 2011 : Proceedings of the 12th World Conference on Titanium. -2011. v. 2. P. 1383-1386.

2. Ночовная H.A., Алексеев Е.Б., Изотова А.Ю., Новак A.B. Пожаробезопасные титановые сплавы и особенности их применения // Титан. 2012. №4 (38). С. 42-46.

Отпечатан 1 экз. Исп. Алексеев Е.Б. Печ. Алексеев Е.Б.

Автореферат Алексеева Е.Б.

«Влияние содержания алюминия и параметров термомеханической обработки на структуру, фазовый состав и механические свойства полуфабрикатов из интерметаллидного титанового сплава ВТИ-4»

Подписано в печать 12.03. 2015. Заказ № 2/1198 Формат бумаги 60x90/16. Печ. л 1,75. Тираж 100 экз. Отпечатано в типографии ФГУП «ВИАМ» 105005, г. Москва, ул. Радио, 17