автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Влияние термоводородной обработки на структуру и свойства псевдо- α титановых сплавов с интерметаллидным упрочнением

РГ6 ум

з шон вз

' ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. К.Э.ЦИОЛКОВСКОГО

На правах рукописи

ГРИШИН Олег Артурович

УДК 669.295.788: 621.78.062

ВЛИЯНИЕ ТЕРМОВОДОРОДНОЙ ОБРАБОТКИ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ПСЕВДО-а ТИТАНОВЫХ.СПЛАВОВ С ИНТЕРМЕТАЛЛИДНЫМ УПРОЧНЕНИЕМ

Специальность 05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1995

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

Научный руководитель - профессор, доктор технических наук

Ильин Александр Анатольевич

Официальные оппоненты - профессор, доктор технических наук

Петраков Александр Фёдорович (ВИАМ) - доцент, кандидат технических наук Петров Леонид Михайлович (НИАТ)

Ведущее предприятие: ИМЕТ им. А.А.Байкова РАН.

Защита состоится 29 июня 1995 года в 14 часов на заседании диссертационного Совета К 063.56.04 по присуждению ученой степени кандидата наук в области металловедения и обработки давлением в Московском государственном авиационном технологическом университете им. К.Э.Циолковского по адресу: 103767. Москва. К-31, ул. Петровка. 27. МГАТУ им. К.Э.Циолковского. Отзыв на автореферат в одном экземпляре (заверенный печатью) просим направлять по указанному адресу.

С' диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан 29 мая 1995 г.

Ученый секретарь Совета ✓

доцент, кандидат технических наук В.С.Соколов

ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Одними из наиболее перспективных металлических материалов, используемых в качестве жаропрочных, являются титановые сплавы, обладающие высокой удельной прочностью при нормальной и повышенных температурах. Интенсивные научные исследования в области создания новых жаропрочных титановых сплавов на основе традиционных систем легирования, технологий их получения и обработки проводятся в России, США, Великобритании, Японии и др. странах. Однако лучшие из разработанных сплавов (ВТ18У. ВТ25У, ВТ36, IMI 834, Ti-1100 и др. ) не обеспечили кардинального повышения уровня рабочих характеристик. Максимальные температуры длительной эксплуатации этих сплавов не превышают 500-550°С, а комплекс свойств при более высоких температурах не удовлетворителен. Одной из главных проблем, связанных с надежностью эксплуатации таких сплавов, является проблема термической стабильности, решить которую традиционными способами термической или термомеханической обработки не удается.

В качестве упрочняющей фазы в жаропрочных сплавах на основе титана может быть использован интерметаллид TijAKOa). Однако вплоть до настоящего времени присутствие этой фазы в структуре сплавов считалось неприемлемым, т.к. именно с ее выделением в процессе эксплуатации при температурах 500-600°С связано понижение термической стабильности и охрупчивание сплавов. Поэтому наиболее жаропрочные сплавы псевдо-а и а+ß классов содержат не более 7% алюминия, т.е. не выше предела его растворимости в a-титане. Таким образом интервал концентраций алюминия от 7 до 15% в плане создания более жаропрочных сплавов остается практически не изученным. В то же время очевидно, что сплавы на основе ct-фазы с упрочнением a-, -фазой могли бы наиболее эффективно использоваться в интервале рабочих температур от 550 до 700°С, перекрывая таким образом температурный интервал эксплуатации между сплавами на основе титана и его алюминидов. Поэтому актуальным является поиск новых технологических процессов обработки жаропрочных титановых сплавов, которые позволили бы решить указанные проблемы.

Одним из эффективных способов управления структурой спла-

вов на основе титана с целью повышения комплекса механических и эксплуатационных свойств является термоводородная обработка (ТВО). Более широкие возможности ТВО в плане создания оптимальных, а иногда и уникальных структур в титановых сплавах связаны с изменением состава сплава в процессе его обработки, сочетающей термическое воздействие с обратимым легированием водородом. К настоящему времени уже получены положительные результаты при использовании ТВО для повышения комплекса свойств литых и деформированных полуфабрикатов титановых сплавов различных классов. Поэтому разработка технологии ТВО жаропрочных титановых сплавов, направленной на повышение их термической стабильности, является актуальной научной и практической задачей. Ее решение позволит увеличить ресурс работы лучших промышленных сплавов, к которым относится сплав ВТ18У, откроет перспективы использования титановых сплавов с интерметаллидным упрочнением, температура эксплуатации которых на 100-150°С выше, чем у современных отечественных и зарубежных жаропрочных сплавов на основе титана.

Термоводородная обработка титановых сплавов с высоким содержанием алюминия может быть эффективна и для получения максимального упрочнения при нормальной температуре. Это особенно актуально для экономнолегированных. сравнительно недорогих термически неупрочняемых сплавов псевдо-а класса. Решение задачи достижения максимальной твердости деформированных полуфабрикатов этих сплавов (например, ВТ20) позволит эффективно использовать их для изготовления броневой защиты летательных аппаратов.

Цель работы состояла в установлении закономерностей формирования. фазового состава и структуры сплавов на основе титана с повышенным содержанием алюминия (ВТ18У, ВТ20) и опытного сплава Т1-9А1-2Мо с интерметаллидным упрочнением при обратимом легировании водородом и в разработке на этой основе режимов термоводородной обработки, направленных на повышение термической стабильности сплавов Т1-9А1-2Мо и ВТ18У и получение максимальной твёрдости деформированных полуфабрикатов из сплава ВТ20.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- изучить влияние водорода на фазовый состав и структуру сплавов при различных температурах, а также при различных видах

термического воздействия;

- исследовать механизм и кинетику процесса образования аг-фазы, приводящего к снижению термической стабильности, в различных исходных структурах сплавов с повышенным содержанием алюминия;

- разработать режимы термоводородной обработки серийного жаропрочного сплава ВТ18У и модельного сплава Т1-9А1-2М0, обеспечивающие их термическую стабильность при температурах до 600°С;

- разработать режимы термоводородной обработки деформированных листовых полуфабрикатов из сплава ВТ20, обеспечивающие их максимальную твердость.

Научная новизна работы.

1. Установлено, что причиной снижения термической стабильности (охрупчивания) жаропрочного сплава Т1-9А1-2М0 является выделение и увеличение количества мелкодисперсной когерентной ctg-фазы (твердого раствора на основе Ti3 AI) по всему обьему зерен а-фазы. наиболее интенсивно протекающее при температурах 600° С и выше. Когерентная а/о^-граница сохраняется при этой температуре в течение, по крайней мере. 100-часовой выдержки, что приводит к непрерывному росту упругих межфазных напряжений и снижению пластичности и ударной вязкости сплава. Процесс упорядочения и увеличения количества 02~Фазы продолжается непрерывно в течение исследованной 300-часовой выдержки.

2. Определен фазовый состав сплава Т1-9А1-2Мо, содержащего от 0,003 до 1.2 % (по массе) водорода при температурах от 20 до 1100°С. Показано, что легирование водородом до 1.2 % непрерывно снижает температуру a+ß/ß-перехода на 330°С, сужает (а+Р)-фазо-вую область, в которой a-фаза имеет полностью неупорядоченную структуру, и приводит к увеличению объемной доли ctg-фазы при температурах (a+ß+otg)-области. При концентрациях водорода более 0.4 % в сплаве реализуется эвтектоидное ß-*a+K превращение с выделением у-Фазы на основе гидрида титана.

3. Установлено, что в сплавах ВТ18У и ВТ20, легированных алюминием по верхнему пределу марочного состава (до 7.1 и 7.0 X. соответственно), введение водорода до концентраций 0.3 и 0,4 %

приводит к образованию в а-фазе упорядоченных микрообъемов «Хг-фазы). При концентрациях водорода более 0,4 % в обоих сплавах протекает эвтектоидный распад р-фазы с выделением гидрида.

4. Построены диаграммы "фазовый состав-концентрация водо-рода-температура нагрева под закалку" для сплавов Т1-9А1-2М0. ВТ18У и ВТ20 и диаграммы "фазовый состав-скорость охлаждения--концентрация водорода" для сплавов ВТ18У и ВТ20. Показано, что введение водорода приводит к снижению критической температуры и критических скоростей охлаждения сплавов. Установлено, что при закалке всех исследованных сплавов из (а+Р)-области не удается подавить эвтектоидный распад р-фазы при концентрации водорода более 0,6 %. При содержании водорода более 0.8 % во всех сплавах, охлаждаемых из р-области со скоростями 3-6 К/с (на воздухе) фиксируется однофазная р-структура.

5. Построена диаграмма изотермических превращений в закаленном из р-области сплаве ВТ20 с 0,8 % водорода в интервале температур от 300 до 700°С. Показано, что в интервале температур 400-600° С распад р-фазы начинается с выделения а-фазы и завершается формированием (а+Ог+Р)-структуры. При температурах ниже 400°С реализуется эвтектоидный распад р-фазы (р-»а+К) с последующим выделением с^-фазы.

6. Установлено, что при насыщении сплава Т1-9А1-2М0 водородом до концентрации 0,6-0,8 %, проводимом в (а+Р)-области. и последующем вакуумном отжиге при температуре 650-700° С формируется бимодальная структура с двумя структурными составляющими а-фазы. имеющими различную концентрацию А1 и Мо и размеры. Процессы упорядочения в такой структуре протекают только в обогащенной А1 (до 12 %) первичной а-фазе. Более мелкодисперсная вторичная а-фаза с содержанием А1 до 6 % свободна от выделений Ог-фазы.

7. Определены характеристики жаростойкости сплавов Т1-9А1-2М0 и ВТ18У при температурах 600-700° С (скорости окисления, глубина диффузионной зоны). Термоводородная обработка существенно не влияет на жаростойкость обоих сплавов, несколько снижая скорость окисления и глубину диффузионной газонасыщенной зоны.

Практическая значимость работы.

1. Разработаны режимы термоводородной обработки серийного жаропрочного титанового сплава ВТ18У и опытного сплава Т1-9А1-2М0, направленные на повышение их термической стабильности. Они включают насыщение водородом до 0,8 % по массе при температурах 850-750°С (Т1-9А1-2М0) и 750°С (ВТ18У). охлаждение до нормальной температуры со скоростью около 5 К/с, вакуумный отжиг при температуре 650°С. Разработанные режимы обеспечивают сохранение пластичности и ударной вязкости на удовлетворительном уровне ( 5=7.6%, КСУ=0,36 МДж/м2 для сплава Т1-9А1-2М0, 5=8,0%, КСУ=0.35 МДж/м2 для ВТ18У) после выдержки при температуре 600°С в течение 300 часов (Т1-9А1-2МО) и 400 часов (ВТ18У). Одновременно в результате ТВО на 10-15 % повышаются прочностные свойства обоих сплавов.

2. Разработаны режимы ТВО листовых полуфабрикатов толщиной 2 и 5 мм из сплава ВТ20. направленные на повышение их твёрдости и включающие насыщение водородом до 0,8 % при температуре 750°С ({5-область). охлаждение до 20°С со скоростью 5 К/с, старение при температуре 450°С в течение 5 часов и вакуумный отжиг при 650°С до полного удаления водорода. В результате ТВО твёрдость сплава достигает 42 и 50 ед. ШС для 5 и 2 мм листа, соответственно, что на 35-40 % выше, чем у листов, полученных по традиционной технологии.

Практические рекомендации по применению ТВО использованы в ГНЦ ВИАН для совершенствования технологии обработки жаропрочных титановых сплавов, что подтверждено соответствующим актом.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на следующих научно-технических конференциях и семинарах:

1. XI научно-технической конференции молодых ученых и специалистов. (М, МАТИ. 1987);

2. Научно-технической конференции "Прогрессивные технологические процессы термической и химико-термической обработки металлов и сплавов". (НТО Машпром, Ижевск, 1987);

3. Конференции "Современные металлические материалы и прогрессивные способы их обработки", (М, МАТИ, 1988);

4. XVIII, XIX, XX, XXI молодежных научно-технических кон-

ференциях "Гагаринские чтения". (М, МАТИ, 1992, 1993. 1994. 1995);

5. 1 международном семинаре "Металл-водород-92", (Донецк. 1992);

6. Российских научно-технических конференциях "Новые материалы и технологии машиностроения". (М. МАТИ. 1992, 1994);

7. I и II научно-технических семинарах "Водород в металлических материалах". (М. МГАТУ, 1993. 1994).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 12 работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов по работе и списка использованной литературы из 140 наименований. Изложена на 215 страницах машинописного текста, содержит 80 рисунков и 19 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В главе 1 рассмотрены современные отечественные и зарубежные жаропрочные титановые сплавы преимущественно псевдо-а класса с повышенным содержанием алюминия. Обобщены данные по их химическому и фазовому составу, структуре, механическим свойствам. Проанализированы факторы, определяющие жаропрочность титановых сплавов, тенденции в совершенствовании этих сплавов. Отмечена ведущая роль алюминидов титана, как упрочняющей фазы и основы сплавов, имеющих высокую удельную жаропрочность в диапазоне температур 500-650°С.

Рассмотрены проблемы технологии обработки сплавов титана, содержащих Т13А1. Среди основных отмечена низкая технологичность таких сплавов. Подчеркнуто вредное влияние кислорода, попадающего в сплавы как в процессе плавки, так и в процессе эксплуатации при высокотемпературном окислении, на стабильность механических свойств и прежде всего пластичности. В связи с этим проанализированы данные по жаростойкости сплавов титана и по влиянию на нее легирующих элементов.

Невозможность заметного улучшения эксплуатационных свойств псевдо-а сплавов термической обработкой создаёт необходимость применения для достижения этой цели новых технологических процессов. На основе опубликованных данных показано, что интенсив-

но развивающаяся водородная технология обработки титановых сплавов позволяет эффективно управлять процессами формирования структуры, а также значительно повысить их технологическую пластичность. Термоводородная обработка, сочетающая обратимое легирование водородом с термическим воздействием, может быть эффективно использована для создания в титановых сплавах структурных состояний, обладающих высоким комплексом механических и эксплуатационных свойств. Однако, до сих пор не рассмотрена возможность применения ТВО для повышения термической стабильности титановых сплавов. По результатам анализа литературных данных сформулированы цель работы и задачи, решение которых необходимо для ее достижения.

Глава 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Материалами для исследования служили промышленные сплавы ВТ18У и ВТ20, а также опытный сплав Т1-9А1-2М0. Катаные прутки диаметром 25мм (ВТ18У) и листы толщиной 2 и 5мм (ВТ20) были получены по промышленной, прессованные прутки диаметром 20мм из сплава Т1-9А1-2Мо - по опытной технологии. Химический состав исследованных сплавов приведен в таблице 1.

Таблица 1

Химический состав исследованных сплавов (масс.%)

Сплав А1 МО № гг Бп V Б1 Т1

ВТ18У 7, 1 0,8 1.0 3.7 2.8 - 0.13 ОСН.

ВТ20 7,0 1.0 - 1,6 - 1,5 -

Т1-9А1-2МО 9.6 2.0 - - - - -

Насыщение образцов сплавов водородом проводили в вакуумной установке Сивертса с рабочей камерой из кварцевого стекла. Чистый водород для насыщения получали путем термического разложения гидрида титана.

Микроструктуру сплавов исследовали с по'мощью оптического микроскопа Иеор1ю1 30 и растрового электронного микроскопа Са-шеЬах М1сгоЬеат. Исследование тонкой структуры при больших увеличениях проводили на просвечивающем электронном микроскопе

ЭМ125 с использованием, тонких фольг.

Рентгеноструктурный анализ при комнатной температуре проводили на дифрактометре ДР0Н-4-07 при ускоряющем напряжении 35кВ в фильтрованном Ка Си излучении. Съемку рентгенограмм осуществляли с автоматическим управлением гониометром и процессом сбора и обработки данных от ПЭВМ типа IBM PC, снабженной аппаратно-программным комплексом "X-RAY". Рентгеноструктурный анализ при высоких температурах выполняли на дифрактометре ДРОН-3 с высокотемпературной приставкой УРВТ-2000. Нагрев образцов осуществляли в вакуумной камере приставки при остаточном давлении 0,01-1 Па.

Рентгеноспектральный микроанализ сплавов проводили на металлографических шлифах. Для определения концентрации легирующих элементов использовали кристаллдифракционные спектрометры . Для анализа Т1 и Мо применяли монохроматор PET (Т1- Ка, Mo- La), для анализа AI - ТАР (Ка). Расчет концентраций элементов производили на ЭВМ PDP11 микроанализатора СашеЬах Microbeam.

Измерение твердости проводили в соответствии с ГОСТ 9013-59, микротвёрдости - в соответствии с ГОСТ 9450-76. Определение прочности и пластичности при комнатной температуре проводили путем испытания стандартных образцов на растяжение по ГОСТ 1497-73. определение ударной вязкости - на образцах типа Шарпи в соответствии с ГОСТ 9454-78. Испытания на жаростойкость по ГОСТ 6130-71 выполнены при температурах 500-700°С в воздушной атмосфере печей электросопротивления.

Глава 3. ВЛИЯНИЕ ФАЗОВОГО СОСТАВА И СТРУКТУРЫ НА ТЕРМИЧЕСКУЮ СТАБИЛЬНОСТЬ ЖАРОПРОЧНЫХ ПСЕВДО-а ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

На примере опытного сплава Т1-9А1-2Мо. имеющего максимальную концентрацию алюминия из исследованных сплавов, рассмотрены механизм и кинетика процессов, происходящих в различных исходных структурах при длительных выдержках в интервале температур 400-700°С. Исследовали распад метастабильных фаз. полученных закалкой из ß и a+ß областей.

Установлено, что распад полученного закалкой из ß-области (1100°С) мартенсита а' при 400-500°С начинается с расслоения на

микрообъемы, обогащенные и обедненные алюминием. В микрообъемах а'-фазы, обогащенных алюминием, одновременно идут процессы упорядочения. Время до надежного обнаружения а?-фазы электронно-микроскопическим и рентгеноструктурным методами анализа составляет для 500°С - 15 минут, для 400°С - 1час. Образование р-фазы начинается в обеднённых алюминием участках а'-фазы позднее. Упорядочение и образование р-фазы наиболее интенсивно протекают при температурах 600-700°С, начинаясь еще в процессе нагрева до этих температур. Увеличение количества и размеров когерентных выделений с^-фазы. располагающихся по всему объёму а-пластин, происходит в течение всего исследованного времени выдержки (300ч), что приводит к непрерывному росту твердости сплава. Распад а'-мартенсита при отпуске идет в разных временных интервалах по следующей схеме: а' -» а0б0Г м+ Доведи Л1

; 1

Ог а+р

Процессы, происходящие при старении сплава, закаленного из а+р-области. сводятся к перераспределению основных легирующих элементов между аир фазами и упорядочению в а-фазе. Когерентность выделений а-.-фазы с а-матрицей сохраняется до максимального исследованного времени выдержки (300 часов). Поскольку образование и рост когерентных частиц Ог-фазы по всему объему а-пластин приводит к повышению уровня упругих напряжений в структуре, этот процесс вызывает рост твердости сплава, как и при отпуске. Образование более пластичной р-фазы вызывает снижение твердости и повышение пластичности сплава.

Полученные результаты обобщены в виде диаграмм распада мартенсита а' и неравновесной а+р-структуры в процессе выдержки сплава при температурах 400-700°С.

Причиной потери термической стабильности сплавом Т1-9А1--2Мо является выделение и увеличение количества мелкодисперсных когерентных выделений Ог-фазы по всему объему зерен а-фазы, на-более интенсивно протекающее при температурах 600°С и выше.

Глава 4. ВЛИЯНИЕ ВОДОРОДА НА ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И СТРУК-ТУРООБРАЗОВАНИЕ В СПЛАВАХ ВТ18У И Т1-9А1-2МО

Глава посвящена изучению влияния водорода на формирование фазового состава и структуры сплавов Т1-9А1-2МО и ВТ18У при различном термическом воздействии.

Введение в сплавы Т1-9А1-2Мо и ВТ18У водорода в количестве до 1.2 % вызывает непрерывное снижение температуры а+р/р-пере-хода (Ас3) у сплава Т1-9А1-2Мо - на 330. а у сплава ВТ18У - на 220°С. Повышение концентрации водорода в сплаве Т1-9А1-2Мо сужает (а+Р)-фазовую область, в которой а-фаза имеет полностью неупорядоченную структуру, и приводит к увеличению объемной доли Ог-фазы при температурах (а+р+о^)-области. Легирование сплава ВТ18У водородом в количестве 0,3 % и более приводит к образованию в его структуре упорядоченной с^-фазы, а при 0,4 % - к эвтектоидному распаду р-фазы с образованием гидрида. Области существования гидридной фазы к с увеличением концентрации водорода расширяются в направлении высоких температур. Экспериментальные данные обобщены в виде температурно-концентрационных диаграмм фазового состава водородосодержащих сплавов Т1-9А1-2М0 и ВТ18У, первая из которых приведена на рис.1.

Экспериментальные данные по влиянию скоростей охлаждения из р-области сплава ВТ18У обобщены в виде диаграммы "фазовый состав-скорость охлаждения-концентрация водорода". Введение в сплавы водорода вызывает значительное снижение критических скоростей охлаждения. Охлаждение из р-области сплава ВТ18У, легированного водородом в количестве 0,4-0.6 со скоростями < 0.1 К/с приводит к частичному эвтектоидному распаду р-фазы и выделению Ог-фазы. С повышением концентрации водорода и уменьшением скорости охлаждения количество у и (Ц фаз растет, а количество р-фазы уменьшается . о чем свидетельствует соответствующее изменение интегральных интенсивностей их дифракционных максимумов. В сплавах, содержащих 0.6-1% водорода, при скоростях охлаждения менее 0,03 и 0.1 К/с, соответственно, наблюдается полный эвтектоидный распад р-фазы, который формирует (а+у+Ог)-структуру.

Исследовано влияние водорода на фазовый состав и структуру сплавов Т1-9А1-2М0 и ВТ18У, закаленных из р и а+р-областей.

4200

чо4

900

6 00

300

р

с/+8

Г

0,3

0,6

0,9 11

Сн,Уо (»о массе)

Рис. 1 Температурно-концентрационная диаграмма фазового состава водородосодержащего сплава Т1-9А1-2Мо

Введение в сплавы водорода вызывает снижение их критических температур. В сплаве ВТ18У. содержащем более 0,6 % И. удается зафиксировать однофазную ß-структуру закалкой из ß-области. Для сплава Т1-9А1-2Мо эта концентрация составляет 0,95 % Н. В процессе закалки из a+ß-области ß-фаза претерпевает эвтектоидный распад с образованием гидрида.

Для изучения механизма процессов, происходящих во время обезводороживания сплава, исследованы фазовые превращения в сплаве ВТ18У, содержащем до 1,2% водорода, при нагреве в вакууме. и построена диаграмма изменения фазового состава в интервале температур 20-1100°С. В сплаве ВТ18У. содержащем более 0.5% водорода, при дегазации в интервале температур 500-800°С образуются два a-твердых раствора: первичный с повышенным содержанием алюминия и вторичный, имеющий более низкую его концентрацию. Различие в содержании алюминия, достигающее 4-6%. сохраняется до температуры 800°С.

Глава 5. РАЗРАБОТКА РЕЖИМОВ ТЕРМОВОДОРОДНОЙ ОБРАБОТКИ ЖАРОПРОЧНЫХ ПСЕВДО-a ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ. ПОВЫШАЮЩИХ ИХ ТЕРМИЧЕСКУЮ СТАБИЛЬНОСТЬ

В главе дано обоснование режимов термоводородной обработки деформированных полуфабрикатов из серийного сплава ВТ18У и опытного сплава Т1-9А1-2Мо и приведены результаты их экспериментального опробования.

Целью ТВО сплавов Т1-9А1-2МО и ВТ18У являлось повышение их термической стабильности в интервале температур до 600°С включительно. Проведенные исследования показали, что для достижения этой цели необходимо ограничить процесс выделения хрупкой (Lj -фазы в отдельных структурных составляющих ос-фазы, создавая с помощью ТВО гетерогенную структуру бимодального характера. Такая структура состоит из частиц первичной a-фазы с повышенным содержанием алюминия (в них идет образование с^-фазы), более дисперсной, обедненной алюминием a-фазы. образовавшейся в процессе распада водородосодержащей ß-фазы при дегазации, и небольшого (до 5%) количества ß-фазы.

На основании проведенных исследований были предложены ре-

жимы термоводородной обработки серийного жаропрочного титанового сплава ВТ18У и опытного сплава Т1-9А1-2Мо. Они включают насыщение водородом до 0,8 % по массе при температурах 850-750°С (Т1-9А1-2Мо) и 750°С (ВТ18У). охлаждение до нормальной температуры со скоростью около 5 К/с, вакуумный отжиг при температуре 650°С. Электронно-микроскопические исследования показали, что такие режимы ТВО формируют в сплавах Т1-9А1-2М0 и ВТ18У (а+р+сь)-структуру, в которой с^ -фаза присутствует только в пластинах обогащенной алюминием первичной а-фазы.

Исследование структурных изменений в. подвергнутых ТВО сплавах Т1-9А1-2Мо и ВТ18У при выдержках в течение 300 и 400 часов, соответственно, при температуре 600°С показали, что полученное структурное состояние является термически стабильным. Это подтверждается постоянством градиента концентрации алюминия между двумя а-фазами, который сохранялся на уровне 5-6%. Время выдержки в исследованных интервалах практически не влияет на твердость сплавов, которая остается в пределах 34-35 и 37-38 ед. НИС для сплавов ВТ18У и Т1-9А1-2М0, соответственно.

Для оценки стабильности механических свойств сплавов после ТВО проводили сравнительные механические испытания образцов на растяжение и ударную вязкость. Результаты испытаний сплава Т1-9А1-2МО приведены в таблице 2:

Таблица 2

Механические свойства сплава Т1-9А1-2Мо после обработки по различным режимам

Режим обработки Механические свойства

бв. МПа б0,2МПа КСУ, МДж/М2

Прессованный пруток 1020 890 10,0 18.2 0, 43

Закалка с 950°С+стар. 600°С,100 ч 1080 980 2,3 5,0 0, 06

ТВО 1100 1010 7,8 16,2 0.39

ТВО+стар. 600°С.300ч 1120 1020 7,6 16,0 0,36

Анализ результатов аналогичных испытаний сплава ВТ18У по-

называет, что ТВО повышает его термическую стабильность с одновременным увеличением прочностных свойств на 10-15 %. Выдержка в течение 400 часов при 600° С образцов, не подвергнутых ТВО. приводит к снижению пластичности и ударной вязкости (5=5.5%. \р=11,0%, КСУ=0.1 МДж/м2) По сравнению со стандартной термической обработкой (отжиг при 930°С. 1 час), после которой сплав ВТ18У имеет следующие механические свойства: бв=1050 МПа. б0.г=960 МПа. 6=12.0%. 1|>=21.2%,'КС7=0.40 МДж/м2. пластические характеристики и ударная вязкость сплава после ТВО снижаются, соответственно на 30 и 10%. оставаясь, однако на удовлетворительном уровне (6=8.3%. 1|)=16,9%, КСУ=0.36 МДж/м2). Этот уровень свойств практически сохраняется после 400-часовой выдержки при температуре 600°С.

Результаты испытаний показали, что длительная выдержка образцов, не подвергавшихся ТВО, при температуре 600° С приводит к резкому падению пластичности и ударной вязкости за счёт выделения Ог-фазы по всему объёму а-фазы. Термоводородная обработка приводит к упрочнению сплавов на 10%) при некотором снижении пластичности и ударной вязкости, которые, однако, остаются на удовлетворительном уровне, характерном для серийных жаропрочных псевдо-а сплавов. Длительная выдержка при 600°С образцов после ТВО практически не изменяет прочность и пластичность при несущественном снижении вязкости. Соответственно изменяется и характер разрушения от типично хрупкого у образцов без ТВО до преимущественно вязкого у образцов, обработанных по предложенным режимам.

Таким образом, термоводородная обработка по предложенным режимам позволяет создать в этих сплавах термически стабильное структурное состояние.

При температурах 600° С и более, существенно интенсифицируется процесс окисления титановых сплавов, и лимитирующим свойством становится жаростойкость. В связи с этим были проведены испытания на жаростойкость сплавов ВТ18У и Т1-9А1-2МО в диапазоне температур 600-700° С. Средняя скорость окисления отожженного сплава Т1-9А1-2Мо составляет 6,3, 1.4 и 0,4х10"3 мг/см2ч при температурах 700, 650 и 600°С. соответственно. В тех же условиях скорость окисления сплава ВТ18У на 20-30% выше.

По данным рентгеноструктурного анализа сплава Т1-9А1-2М0,

при окислении на его поверхности образуется только рутил. Оксид алюминия не обнаружен.

Термоводородная обработка не оказывает заметного влияния на гравиметрические характеристики окисления сплава Т1-9А1-2МО, т.к. независимо от метода обработки на его поверхности образуется слой рутила.

Средняя глубина диффузионной (подокисной) зоны, образовавшейся на сплаве T1-9A1-2MO за 500ч, составляет при температуре 600°С 0,1мм, при 700°с - 0,25мм, что на 30% меньше, чем у сплава ВТ18У.

Глава 6. ТЕРМОВОДОРОДНАЯ ОБРАБОТКА ЛИСТОВЫХ ПОЛУФАБРИКАТОВ ИЗ СПЛАВА ВТ20

Глава посвящена изучению влияния водорода на формирование фазового состава и структуры сплава ВТ20 с повышенным содержанием алюминия при различном термическом воздействии, а также разработке на основании этих исследований и опробованию режимов ТВО листовых полуфабрикатов из этого сплава, обеспечивающих их максимальную твердость.

Экспериментальные результаты по влиянию водорода на фазовый состав сплава при температурах от 20 до И00°С обобщены в виде температурно-концентрационной диаграммы фазового состава водородосодержащего сплава ВТ20. Показано, что температура a+p/p-перехода понижается в сплаве на 320°С с ростом концентрации водорода от 0,003 до 1,0%. Установлено, что легирование водородом до 0,4 % и более приводит к образованию в структуре сплава упорядоченной с^-Фазы. Дальнейшее повышение концентрации водорода приводит к эвтектоидному распаду р-фазы при охлаждении. Таким образом, в сплаве, содержащем более 0,4 % водорода, последовательно формируются а+рщ, а+р+ц+Ог. а+у+йц фазовые области, расширяющиеся в сторону высоких температур с ростом концентрации водорода. Легирование водородом от 0,003 до 1,0 % приводит к снижению первой критической скорости охлаждения VKl от 300 до 0,5 К/с. Это позволяет сформировать в сплаве, содержащем более 0,8 % Н, однофазную p-структуру при охлаждении от температур р-области со скоростями более 1 К/с, технически достижимыми в вакуумно-водородной установке. С увеличением кон-

центрации водорода также происходит снижение критической температуры сплава с 860°С до 730°С. Проведенные исследования обобщены в виде диаграмм "фазовый состав-скорость охлаждения-кон-центрация водорода" и "фазовый состав-температура нагрева под закалку-концентрация водорода".

Изучено влияние старения при температурах 300-600°С на изменения фазового состава сплава ВТ20 с 0.8 % водорода, закаленного из р-области. Показано, что при температурах выше 400°С распад р-фазы начинается с выделения частиц а-фазы и завершается формированием равновесной а+р+о^-структуры. При 400°С и более низких температурах старение начинается с эвтектоидного распада р-фазы (Р-а+у), и равновесное состояние не достигается в пределах исследованного временного интервала.

Проведенные исследования позволили разработать режим ТВО. включающий насыщение водородом до 0.8 % при температуре р-об-ласти (750°С), охлаждение до 20°С со скоростью 5К/с для получения однофазной р-структуры, старение наводороженного сплава при 450°С в течение 5 часов для формирования однородной структуры с максимальной степенью дисперсности а-фазы и вакуумный отжиг при 650°С до полного удаления водорода. Твердость 2мм-листов повысилась с 36 в деформированном состоянии до 50 ед. НИС после ТВО, и у 5мм-листов с 31 до 42 ед. ШС, соответственно.

Таким образом. ТВО повышает твердость листовых полуфабрикатов из сплава ВТ20 указанного состава на 35-40%, что позволяет рекомендовать разработанный режим для использования при изготовлении деталей броневой защиты.

ВЫВОДЫ

1. Исследована термическая стабильность структуры при температурах 400-700°С сплава Т1-9А1-2МО. закаленного из р и (а+Р)-областей. Показано, что в обоих случаях процесс упорядочения в а-фазе с образованием аг-фазы протекает наиболее интенсивно при температурах 600°С и выше. Когерентность Ог-фазы с а-матрицей сохраняется при температуре 600°С в течение, по крайней мере. 100 часов. Объёмная доля с^-фазы непрерывно увеличивается в течение, по крайней мере, 300 часов. Процессы, происходящие в сплаве при выдержке в указанном интервале темпе-

ратур, приводят к непрерывному росту упругих межфазных напряжений и снижению его пластичности и ударной вязкости.

2. Исследовано влияние водорода на фазовый состав и структуру псевдо-а титановых сплавов ВТ18У. ВТ20, легированных алюминием по верхнему пределу марочного состава и экспериментального сплава Т1-9А1-2Мо. Построены диаграммы, характеризующие зависимость фазового состава этих сплавов от концентрации водорода в пределах 0,003-1,2% и температуры в интервале 20-1100°С. Показано, что легирование водородом в указанном интервале расширяет область стабильности р-фазы, понижая температуру а+р/р-перехода (Ас3) в сплавах ВТ18У, ВТ20 и Т1-9А1-2МО на 220, 320 и 330°С. соответственно.

С повышением содержания водорода более 0.35 - 0,4% в сплавах ВТ18У и ВТ20 последовательно формируются а+р+Ог, а+р+Ог+К-й+Ч+Ог-фазовые области. В сплаве Т1-9А1-2Мо. имеющем в исходном состоянии фазовый состав а+Рщ, повышение содержания водорода более 0,4% приводит к последовательному появлению а+р+Ог и а+к+Ог структур, область существования которых ограничена температурами 300 и 100°С, соответственно.

3. Исследовано влияние скорости охлаждения из р-области на фазовый состав водородосодержащих сплавов . Показано, что увеличение концентрации водорода от 0.003 до 1.0 % снижает критическую скорость охлаждения (Ук1) сплава ВТ18У с 300 до 5 К/с. а сплава ВТ20 с 300 до 0,4 К/с. Эвтектоидный распад р-фазы, происходит при охлаждении из р-области сплава ВТ18У, содержащего более 0,4%Н. со скоростью менее 0,3 К/с и сплава ВТ20. содержащего более 0.45%Н, со скоростью менее 10 К/с . Результаты обобщены в виде диаграмм "фазовый состав - скорость охлаждения -концентрация водорода".

4. Изучено влияние водорода на фазовый состав и структуру сплавов ВТ18У, ВТ20 и Т1-9А1-2Мо, закаленных из р и а+р-облас-тей. При закалке из р-области повышение содержания водорода во всех трех сплавах приводит к снижению их критической температуры. При закалке из а+р-области эвтектоидный распад р-фазы происходит в сплавах ВТ18У. ВТ20 и Т1-9А1-2МО, • если содержание водорода в них превосходит 0,6, 0,75 и 1.0 % соответственно.

5. Построена диаграмма изотермических превращений в закаленном из р-области сплаве ВТ20 с 0,8 % водорода в интервале

температур от 300 до 700°С. Показано, что в интервале температур 400-600°С распад р-фазы начинается с выделения а-фазы и завершается формированием (а+с^ +р)-структуры. При температурах ниже 400°С реализуется эвтектоидный распад р-фазы (р-чх+К) с последующим выделением с^-фазы.

6. Установлено, что при насыщении сплава Т1-9А1-2Мо водородом до концентрации 0.6-0,8 %, проводимом в (а+Р)-области, и последующем вакуумном отжиге при температурах 650-700°С формируется бимодальная структура с двумя структурными составляющими а-фазы, имеющими различную концентрацию А1 и Мо и размеры. Процессы упорядочения в такой структуре протекают только в обогащенной А1 (до 12 %) первичной а-фазе. Более мелкодисперсная вторичная а-фаза с содержанием А1 до 6 % свободна от выделений Ог-фазы.

7. Разработаны режимы термоводородной обработки сплавов ВТ18У и Т1-9А1-2МО. обеспечивающие повышение термической стабильности в области температур до 600°С. Они включают насыщение водородом до 0.8 % в условиях снижения температуры в пределах а+р-области от 850 до 750°С (Т1-9А1-2Мо) и при температуре 750°С (ВТ18У). сохраняющее первичную а-фазу. с последующим охлаждением (Уохл=5К/с) до 20°С и вакуумным отжигом при температуре 650°С до удаления водорода до безопасных концентраций. Сплавы, обработанные по такому режиму, содержат в структуре две структурных составляющих а-фазы, различающиеся по концентрации А1 на 5-6%, а также с^ и р-фазы. Упорядоченная с^ -фаза выделяется в пределах обогащенной алюминием первичной а-фазы. Такая структура обеспечивает стабильный уровень пластичности и ударной вязкости (5=7,6%, КСУ=0,36 МДж/М2 для П-9А1-2МО. 6=8,0%. КСУ=0,35 МДж/м2 для ВТ18У) после выдержек при температуре 600°С в течение 300-400 часов, одновременно повышая на 10-15% прочностные характеристики обоих сплавов.

8. Разработаны режимы ТВО листовых полуфабрикатов толщиной 2 и 5 мм из сплава ВТ20, направленные на повышение их твёрдости, и включающие насыщение водородом до 0,8 % при температуре р-области (750°С) с последующим охлаждением со скоростью 5 К/с до 20° С с целью получения однофазной р„-структуры, последующее старение при 450°С в течение 5 часов и вакуумный отжиг при 650°С до удаления водорода до безопасных концентраций. ТВО по

такому режиму позволяет сформировать в листовом полуфабрикате однородную структуру, состоящую из мелкодисперсных пластин а-фазы и небольшого количества «5%) ß и Og-фаз. Такая дисперс-ноупрочненная структура обеспечивает твердость 42 и 50 ед. HRC у 5 и 2 мм листов, соответственно, что выше твердости полуфабрикатов. полученных по традиционной технологии, на 35-40 %.

9. Исследована жаростойкость сплавов T1-9A1-2MO и ВТ18У при температурах 600-700° С в воздушной атмосфере. Определены скорости окисления, состав оксидных пленок, глубина диффузионных (газонасыщенных) зон и влияние ТВО на эти параметры. Основной фазой в оксидных пленках, образующихся на поверхности сплавов. является рутил. Средняя глубина диффузионных зон. образовавшихся в сплаве Т1-9А1-2Мо за 500ч, составляет при температуре 600°.С 0.1мм. при 700° С - 0.25мм, что в среднем на 30 % меньше, чем у сплава ВТ18У. ТВО не приводит к заметному изменению толщины диффузионного слоя и скорости окисления сплавов.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Ильин A.A., Мамонов A.M., Гришин O.A. Формирование фазового состава и структуры жаропрочных титановых сплавов в процессе термоводородной обработки - В сб. докладов научно-технической конференции "Прогрессивные технологические процессы термической и химико-термической обработки металлов и сплавов", НТО Машпром. Ижевск. 1987. с.42;

2.. Гришин O.A.. Мамонов A.M. Исследование фазовых равновесий в титановых сплавах ВТ18У и ВТ25У. легированных водородом -

- В сб. трудов конференции "Современные металлические материалы и прогрессивные способы их обработки". М., МАТИ. 1988. с.18;

3. Ильин A.A.. Мамонов A.M.. Гришин O.A. Влияние водорода на фазовые равновесия в промышленном титановом сплаве ВТ18У -Вопросы авиационной науки и техники. Серия "Технология легких сплавов". М.. ВИЛС, 1989. N10. с. 19-22;

4. Мамонов A.M., Ильин A.A.. Гришин O.A. - Фазовые и структурные превращения в жаропрочных титановых сплавах с ин-терметаллидным упрочнением при обратимом легировании водородом

- В сб. тезисов докладов 1 международного семинара "Металл-во-дород-92". Донецк. 1992, ч.2. с. 16;

5. Мамонов A.M., Гришин O.A., Пономарева H.A.. Павлов Г.А. Влияние термоводородной обработки на изменение фазового состава, структуры и свойств при старении титанового сплава с интер-металлидным упрочнением - В сб. тезисов докладов Российского научно-технического семинара "Водород в металлических материалах". М, МГАТУ. 1993, С.18-19;

6. Мамонов A.M., Ильин A.A.. Гришин O.A. Исследование фазовых превращений при дегазации водородосодержащих титановых сплавов - В сб. тезисов докладов Российского научно-технического семинара "Водород в металлических материалах". М, МГАТУ. 1993, с.30-31;

7. Гришин O.A.. Мамонов A.M.. Будрик В.В. Повышение термической стабильности жаропрочных титановых сплавов с высоким содержанием алюминия - В сб. тезисов докладов Российской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии". М, МГАТУ. 1994. с. 15;

8. Гришин O.A., Мамонов А.М..Резниченко Б.М.,Зеленина Т.А. Упрочняющая термоводородная обработка деформированных полуфабрикатов из сплава ВТ20 - В сб. материалов 2-го Российского научно-технического семинара "Водород в металлических материалах". М. МГАТУ. 1994, С.29-30.