автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Водородная технология получения и обработки элементов броневой защиты из титановых сплавов переходного класса

На правах рукописи Для служебного пользования

Экз № ¡2)

УДК 669.295'788:620.181

АСПИРАНТ Самсонова Мария Борисовна

ВОДОРОДНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ II ОБРАБОТКИ ЭЛЕМЕНТОВ БРОНЕВОЙ ЗАЩИТЫ ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ПЕРЕХОДНОГО КЛАССА

Специальность 05.16.01. - Металловедение и термическая обработка металлов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2000

Работа выполнена на кафедре "Металловедение и технология термической обработки" "МАТИ" - Российского государственного технологического университета им. К.Э. Циолковского.

Научный руководитель - доктор технических наук Коллеров Михаил Юрьевич

Официальные оппоненты - доктор технических наук

Чернов Дмитрий Борисович (НИИСУ)

- кандидат технических наук, старший научный сотрудник Костина Мария Владимировна (ИМЕТ им. A.A. Байкова РАН)

Ведущее предприятие - АК НИАТ

Защита диссертации состоится 30 марта 2000 года в 14й часов на заседании диссертационного Совета К 063.56.04 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в области металловедения и термической обработки металлов, порошковой металлургии и композиционных материалов, материаловедения (в машиностроении) в "МАТИ" - Российском государственном технологическом университете им. К.Э. Циолковского по адресу: Москва, ул. Оршанская, 3, "МАТИ" - РГТУ им. К.Э. Циолковского, ауд. 205А. Отзыв на автореферат в одном экземпляре (заверенный печатью) просим направлять по адресу: 121552, Москва, ул. Оршанская, 3, "МАТИ"- РГТУ им. К.Э. Циолковского.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Университета.

Автореферат разослан 25 февраля 2000 года.

Ученый секретарь диссертационного Совета доцент, кандидат технических наук

Скворцова С.В.

2

К2 41. 95.0

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время для производства элементов броневой защиты используются стали, алюминий и его сплавы, керамика, кевлар, а также различное их сочетание. Но ни один из этих материалов не может обеспечить высокую пулестойкость, технологичность при изготовлении и низкий вес конструкции одновременно, что затрудняет создание новых элементов бронезащиты, таких как каски второго уровня защиты и бронежилеты третьего и четвертого класса.

Перспективными материалами для производства элементов бронезащиты являются титан и сплавы на его основе. Они обладают высоким комплексом механических свойств, низкой плотностью и отличной коррозионной стойкостью. Однако, несмотря на большие потенциальные возможности титановых сплавов, их использование в новой технике недостаточно широко. Это вызвано высокой стоимостью производства полуфабрикатов и изделий из высокопрочных титановых сплавов и необходимостью использования энергоемкого оборудования для их получения и обработки.

Одним из перспективных подходов к решению этой проблемы является применение водородной технологии, включающей водородное пластифицирование для повышения технологичности титановых сплавов и термоводородную обработку для формирования в полуфабрикатах и изделиях оптимального структурного состояния. В ряде работ, проведенных в «МАТИ»-РГТУ им. К.Э. Циолковского, было показано, что водородное пластифицирование позволяет получить новый вид полуфабрикатов и изделий из высокопрочных титановых сплавов переходного класса - листы и штампованные изделия, которые после термоводородной обработки обладают высоким комплексом механических свойств.

Однако до настоящего времени не решены вопросы оптимизации структуры на всех этапах технологического процесса получения листовых полуфабрикатов для достижения нужного уровня свойств, обеспечивающих хорошую пулестойкость. Не исследована эффективность применения водородной технологии для получения элементов броневой защиты и не произведен сравнительный анализ эффективности высокопрочных титановых сплавов

переходного класса, по сравнению со сплавами других классов, для применения их в броневых системах.

Целью настоящей работы является установление закономерностей формирования структуры, текстуры и свойств титановых сплавов переходного класса при термоводородной обработке и пластической деформации и разработка на этой основе технологии получения и обработки элементов броневой защиты.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

— исследовать влияние водорода и термической обработки на формирование фазового состава и структуры высокопрочных титановых сплавов;

— изучить влияние водорода на формирование структуры, текстуры и механических свойств при холодной пластической деформации титановых сплавов;

— определить изменение механических свойств деформированных полуфабрикатов из титановых сплавов при термической обработке;

— разработать технологическую схему получения и обработки элементов бронезащиты из высокопрочных титановых сплавов;

— дать рекомендации по выбору материала и технологии обработки титановых сплавов для использования их в элементах бронезащиты.

Научная новизна:

1. Установлено, что легирование водородом сплавов переходного класса приводит к формированию при холодной листовой прокатке интенсивной кристаллографической текстуры р-фазы типа (111)<110>, вследствие снижения упругих искажений кристаллической решетки р-фазы и развития скольжения в основном в наиболее благоприятных системах. После рекристаллизационного отжига тип текстуры сохраняется.

2. Построены диаграммы изотермических превращений, описывающие температурно-временные условия полигонизации, рекристаллизации и распада Р-фазы в холоднокатаных, а также рекристаллизованных листах из сплава ВТ22И, легированного водородом, при обработке в воздушной среде и в вакууме. Показано, что распад Р-фазы в рекристаллизованных листах происходит при более

высоких температурах, по сравнению с холоднодеформированными листами, и больших временах выдержки.

3. Показано, что в процессе нагрева до температур вакуумного отжига в интервале 450-800°С водород неравномерно распределяется по объему листов, при этом распад р-фазы в поверхностных слоях, обедненных водородом, происходит при более низких температурах, по сравнению с обогащенными областями в сердцевине листа.

4. Установлено, что исходная структура сплавов влияет на изменение критических скоростей охлаждения. Показано, что в предварительно рекристаллизованных листах при уменьшении температуры вакуумного отжига в а+Р-области критические скорости охлаждения снижаются вследствие стабилизации Р-фазы. В холоднокатаных листах за счет формирования при температуре отжига (а+Р)-структуры с более развитой межфазной границей интенсивность распада р-фазы повышается, что приводит к увеличению критических скоростей охлаждения, которые максимальны после выдержки при температуре на 30-50°С ниже Ас3 сплава.

Практическая значимость:

1. Разработана технологическая схема получения и обработки элементов броневой защиты из титановых сплавов переходного класса ВТ22 и ВТ22И, включающая наводороживание литых или деформированных полуфабрикатов, горячую и холодную прокатку, рекристаллизационный отжиг, штамповку и вакуумный отжиг для обеспечения изделиям высокого уровня пулестойкости.

2. Разработан режим вакуумного отжига листов из сплава ВТ22И с содержанием водорода 0,3% для формирования максимально неоднородной структуры и твердости по сечению листа с целью обеспечения высокой пулестойкости. Он включает в себя нагрев в вакууме при температуре 750°С, выдержку в течение 1,5 часа и старение при 450°С в течение 6 часов.

3. Даны рекомендации по выбору сплавов и технологии их обработки для использования в элементах бронезащиты. Листы из сплавов ВТ22И и ВТ22, полученные по водородной технологии, и ВТ35, полученные стандартной обработкой, рекомендованы для использования в бронежилетах 2-ого, 3-его и 4-ого класса. Листы толщиной до 1,5 мм из сплава ВТ22И, обработанные по режиму:

рекристаллизационный отжиг при 650°С в течение 1 часа, вакуумный отжиг при 750°С в течение 1,5 ч, старение при 450°С в течение 6 ч, рекомендованы для изготовления нового изделия бронезащиты - касок второго класса. Разработанные рекомендации использованы при изготовлении и испытаниях опытных образцов броневой защиты в рамках выполнения раздела «Материалы и сплавы со специальными свойствами» научно-технической программы Министерства образования РФ «Перспективные материалы», что подтверждено соответствующими документами.

Апробация работы. Материалы работы доложены на 9 научно-технических конференциях и семинарах, в том числе: на научных конференциях "МАТИ"-РГТУ им. К. Э. Циолковского (1995 - 1998 гг., Россия), на Международной конференции по производству и применению титана Евромат-97 (1997, Нидерланды); на Международном аэрокосмическом конгрессе 1АС'97 (1997, Россия), на Н-ой Международной конференции "Водородная обработка материалов" (1998, Украина).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 13 работах, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе, списка использованной литературы из 124 наименований и приложения. Изложена на 113 страницах машинописного текста, содержит 70 рисунков и 12 таблиц.

Глава I. Состояние вопроса.

В главе рассмотрено историческое развитие материалов для броневых средств индивидуальной защиты и проведен анализ использования титановых сплавов в элементах броневой защиты.

Показано, что титановые сплавы имеют высокую удельную прочность и могут успешно конкурировать со сталями и алюминиевыми сплавами в ряде конструкций авиационной, космической техники, а также в элементах брони. Однако высокопрочные титановые сплавы не нашли своего применения в элементах броневой защиты из-за низкой технологической пластичности при

нормальной температуре и невозможности применения экономически эффективных технологий холодной листовой прокатки и штамповки.

Приведены данные о механизмах пластической деформации, текстурообразовании и влиянии различных факторов на деформируемость титановых сплавов. Показано, что пластическая деформация титана и его сплавов при нормальной температуре осуществляется скольжением и двойннкованием, а при повышенных - существенный вклад в общую деформацию вносят зернограничные процессы и диффузионная пластичность. Также при пластической деформации может протекать мартенситное превращение. Проанализированы процессы формирования текстуры, образующейся при различных условиях и схемах деформирования титановых сплавов. Показано, что тип кристаллографической текстуры сплавов в значительной мере определяет не только механические свойства сплавов, но и эффективность проведения дальнейшей пластической деформации и термической обработки. Однако в литературе в большей степени освещены вопросы, связанные с текстурообразованием в процессе пластической деформации при нормальной температуре сплавов с однофазной а- или (^-структурой.

Приведены примеры повышения технологических и эксплуатационных свойств разных типов полуфабрикатов из титановых сплавов различных классов при обратимом легировании водородом, которое может применяться как с целью водородного пластифицирования сплавов, так и для термоводородной обработки. В ряде работ, проведенных в «МАТИ»-РГТУ им. К.Э. Циолковского, было показано, что водородное пластифицирование позволяет получить новый вид полуфабрикатов и изделий из высокопрочных титановых сплавов переходного класса - холоднокатаные листы и штампованные изделия, которые после термоводородной обработки обладают высоким комплексом механических свойств. Отмечено, что в литературе практически отсутствуют данные о влиянии водородного легирования на технологическую пластичность высокопрочных титановых сплавов при нормальной температуре. Не до конца исследованы закономерности формирования структуры, фазового состава и механических свойств в процессе пластической деформации и термоводородной обработки.

Обоснован выбор сплавов для исследований. Поставлена цель работы и сформулированы конкретные задачи исследований.

Глава II. Объекты и методы исследования.

Исследования проводили на образцах, вырезанных из горячекатаных прутков диаметром 20+15 мм сплавов ВТ22, ВТ22И и листов сплава ВТ35, полученных по стандартной технологии. Химический состав исследуемых сплавов приведен в таблице 1.

Таблица 1

Химический состав исследуемых сплавов.

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

Т1 А1 Мо V Сг Ре Бп ль Ъх С N О Н

ВТ22И осн. 2,9 4,8 4,8 0,8 0,9 - - - 0,1 0,05 0,15 0,004

ВТ22 осн. 5,4 4,7 4,9 0,9 1,0 - - - 0,1 0,04 0,12 0,004

ВТ35 осн. 3,0 1,0 15,0 3,0 0,3 3,0 0,5 <0,5 0,1 0,05 0,14 0,004

Насыщение водородом до концентрации 0,5%' осуществляли в установке Сивертса в' среде высокочистого водорода при температурах 650-800°С с последующим охлаждением со скоростью 0,2 К/с.

Количество поглощенного водорода определяли по изменению 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. Скорость охлаждения после высотемпературной обработки варьировали от 180 до 0,03 К/с, используя различные охлаждающие среды и спрейерное устройство.

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. Для изучения текстуры рассчитывали значения полюсной плотности по методу Морриса и строили обратные полюсные фигуры для (3-фазы.

1 Здесь и далее по тексту концентрация водорода и легирующих элементов приведена в процентах по массе.

Металлографический анализ проводили на оптическом микроскопе "NEOPHOT-30" при увеличениях до 500 крат и на просвечивающем электронном микроскопе «TESLA BS-500» на репликах ири увеличении до 9000 крат.

Прокатку листов из сплавов проводили на прокатном стане ДУО-250 с диаметром валков 420 мм и скоростью деформации 0,5 м/с. Испытание на сжатие цилиндрических образцов проводили на лабораторном гидравлическом прессе ПМ-125 усилием 1,25 МН при нормальной температуре с начальной скоростью

деформации е^ =2,4x10"V. Испытания на растяжение осуществляли на универсальной испытательной машине FP-100 усилием 100 кН при нормальной

температуре с начальной скоростью деформации ¿^ =1,4x10" V. Механические свойства: временное сопротивление разрыву (ов), условный предел текучести (оо.г). относительное удлинение (8) и относительное сужение (у) определяли согласно ГОСТ 1497-73.

Штампуемость листовых заготовок оценивали по минимальному радиусу гиба, предельным коэффициентам вытяжки и отбортовкн. Испытания на изгиб проводили на приборе НГ-2 на стандартных цилиндрических оправках. Коэффициенты вытяжки и отбортовки получали путем штамповки круглых заготовок с различными диаметрами внешнего контура или отверстия, испытания осуществляли на вытяжном штампе, оснащенном прижимным кольцом.

Испытания на пулестойкость проводили обстрелом из пистолета TT калибра 7,62 мм пулей со стальным сердечником. Мишень представляла собой карточку из титанового сплава и тканевую подложку.

Полученные в исследованиях экспериментальные результаты были обработаны методами математической статистики.

Глава III. Влияние водорода на формирование фазового состава, структуры и текстуры высокопрочных титановых сплавов при термической обработке и пластической деформации.

Глава посвящена изучению процессов формирования фазового состава и структуры титановых сплавов ВТ22, ВТ22И и ВТ35 при высокотемпературной термической обработке и влияния на эти процессы дополнительного легирования водородом. Также исследовано влияние водорода на механизм холодной

пластической деформации при растяжении, сжатии и прокатке, на изменение механических свойств и усилий деформирования, а также на структуру и текстуру образцов.

Приведены экспериментальные результаты по влиянию температуры нагрева в Р-области и скорости последующего охлаждения на фазовый состав, структуру и твердость сплавов. Установлены температуры Асз и критические скорости охлаждения. По результатам исследований построены диаграммы "фазовый состав - температура нагрева - скорость охлаждения" и проведен их анализ. Показано, что при охлаждении сплавов от температур р-области со скоростями выше первой критической (Угф1) в них формируется (а"+р)- (ВТ22И) или Р-структура (ВТ22 и ВТ35). Понижение скорости охлаждения приводит к формированию структур с неоднородным химическим составом Р-фазы и продуктов ее распада. При температурах нагрева ниже Асз в структуре присутствует первичная а-фаза. Установлено, что наличие межфазных а/р-границ повышает склонность Р-фазы к распаду и приводит к увеличению первой критической скорости охлаждения в интервале температур Ас3 - 40+60°С. При более низких температурах нагрева обогащение Р-фазы Р-стабилизаторами приводит к снижению критических скоростей охлаждения.

Методами рентгенострукгурного и металлографического анализов образцов, закаленных с различных температур, установлено, что легирование водородом приводит к снижению температуры Асз и критических скоростей охлаждения. По результатам исследований построены диаграммы "фазовый состав - концентрация водорода - скорость охлаждения" при охлаждении из р-области для сплавов ВТ22 и ВТ22И. Показано, что при концентрации водорода 0,15% мартенситное превращение Р-фазы в сплаве ВТ22И подавляется, и при охлаждении из Р-области со скоростями выше укр' в сплавах формируется однофазная Р-структура.

Установлено, что пластическая деформация растяжением и сжатием при малых степенях в закаленных сплавах ВТ22 и ВТ22И с исходным содержанием водорода происходит по механизму мартенситного превращения Р-»а", а при степенях деформации свыше 3-5% - по механизму скольжения дислокаций, которое в двухфазной (Р+а")-структуре сопровождается повышением концентрации дефектов кристаллического строения и накоплением микронапряжений, что приводит к низкой пластичности и резкому росту

деформирующих усилий. В закаленных сплавах, легированных водородом свыше 0,3-0,4%, образование мартенсита в процессе деформации не происходит. Формоизменение протекает по механизму скольжения в однофазной Р-структуре, что обусловливает высокую пластичность и низкие усилия деформирования. В сплаве ВТ35 Р-фаза является изначально механически стабильной, в процессе деформации мартенситного превращения не происходит, и при легировании водород ведет себя как твердорастворный упрочнитель, что вызывает некоторое снижение предельной степени деформации и увеличение удельных усилий деформирования. Показано, что легирование водородом для увеличения пластичности псевдо-Р титанового сплава ВТ35 не является целесообразным, а для достижения максимальной пластичности при холодной деформации сплавы переходного класса ВГ22 и ВТ22И необходимо легировать не менее 0,3% водорода для сплава ВТ22И и 0,4% водорода для сплава ВТ22, что обеспечивает не только высокую механическую, но и термическую стабильность р-фазы.

Исследованы процессы формирования структуры, текстуры и свойств сплавов ВТ22 и ВТ22И, легированных водородом до концентраций 0,4 и 0,3% соответственно, и сплава ВТ35 с исходной концентрацией водорода при холодной прокатке листов. Все три сплава прокатывались до предельной степени деформации 80% без каких-либо заметных дефектов. Установлено, что при прокатке в сплаве ВТ35 формируется многокомпонентная текстура прокатки (111)<321>+(100)<321>-)-(100)<111>, при этом полуширина дифракционных максимумов р-фазы на рентгенограммах с увеличением степени деформации повышается незначительно (рис. 1). В сплаве ВТ22И образуется однокомпонентная текстура прокатки (111)<110>, причем степень тектурованности намного выше, чем у сплава ВТ35, а полуширина дифракционных максимумов р-фазы интенсивно возрастает. По-видимому, перераспределение водорода в р-фазе в процессе деформации и его сегрегация на дефектах кристаллического строения способствуют снижению упругих искажений кристаллической решетки Р-фазы. Это приводит к развитию скольжения в основном только в наиболее благоприятных системах и формированию интенсивной кристаллографической текстуры. В сплаве ВТ22 наблюдаются меньшие значения полюсной плотности текстуры, чем в сплаве ВТ22И, но более высокие, по сравнению со сплавом ВТ35.

рад

15

10

>2И+0,3%Н

в V—1 Г22+0,4%Н

К— ]——' ] ВТ35

Т~А —

20

40

11.3

(111)

0.1 0,1 0,1 ВТ22И+0,3%Н

1,4. (211),

(10О£

2.0 0,1 0,1 ВТ22+0,4%Н

'(111)

(100)

Рис. 1. Влияние степени деформации при прокатке на изменение полуширины дифракционных максимумов и текстуру Р-фазы (в плоскости прокатки, е=80%) титановых сплавов.

Глава IV. Влияние термической обработки на формирование структуры и свойств холоднокатаных листов из сплавов ВТ22 и ВТ22И, дополнительно легированных водородом, н сплава ВТ35.

В главе приведены результаты исследований влияния термической обработки в воздушной атмосфере и в вакууме на структуру, текстуру и свойства холоднокатаных листов сплавов ВТ22+0,4%Н, ВТ22И+0,3%Н и ВТ35.

Установлено, что при отжиге в воздушной среде в холоднодеформированных листах из сплава ВТ22И в интервале температур 600-650°С протекают процессы рекристаллизации. При этом степень текстурованности резко снижается, и образуется текстура рекристаллизации, совпадающая с текстурой прокатки, но имеющая значительно меньшую интенсивность. Для сплавов ВТ22+0,4%Н и ВТ35 процессы рекристаллизации протекают при температурах выше 650°С, рекристаллизация проходит не полностью, и степень текстурованности снижается незначительно. Разность температур рекристаллизационного отжига этих сплавов, по-видимому, связана с тем, что для сплава ВТ22И с концентрацией водорода 0,3% температура АС} наиболее низка.

Показано, что после рекристаллизационного отжига в листах из сплава ВТ22И формируется однофазная Р-структура с текстурой (111) в плоскости листа с достаточно высокой степенью текстурованности, которая благоприятна для дальнейшей деформации штамповкой.

Кроме того анализ механических свойств листов из сплава ВТ22И показал, что после рекристаллизационного отжига сплав имеет низкие значения предела текучести (со,2=560 МПа) и достаточно высокую пластичность (5=13%), что обеспечивает хорошие технологические свойства при холодной штамповке (К,ыт.=2,0-2,2; Коте/Ч,8). Сплав ВТ35 после рекристаллизационного отжига обладает высокой пластичностью (5=26%), но несколько уступает сплаву ВТ22И по показателям штампуемости (К1ЬП=1,8-2,0; Кот6=1,5). Сплав ВТ22 в рекристаллизованном состоянии обладает невысокими значениями пластичности (5=8%) и является не столь перспективным для получения изделий холодной штамповкой.

Таким образом, сплав ВТ22И с концентрацией водорода 0,3% обладает высокими технологическими свойствами, и листы из этого сплава можно

использовать для штамповки с глубокой вытяжкой для получения таких геометрически сложных изделий, как каски.

Установлены температурно-временные интервалы протекания процессов нолигонизации, рекристаллизации и распада р-фазы в воздушной среде и соответствующие изменения твердости исследуемых сплавов. Результаты исследований обобщены в виде диаграмм фазовых и структурных превращений при старении.

Заключительной операцией обработки полуфабрикатов и штампованных изделий является вакуумный отжиг, в процессе которого происходит как удаление водорода, так и формирование структуры, обеспечивающей требуемый уровень свойств. Установлены температурно-временные интервалы протекания процессов дегазации и распада р-фазы при обработке холоднодеформированных и предварительно (^кристаллизованных листов из сплава ВТ22И в вакууме. Результаты исследований обобщены в виде диаграммы изотермических превращений в вакууме (рис. 2).

750

600

450

300

«Х Р

№ а+р

V р/о рв/р+а „ ** у х-ос/к / * />р/о

Р. \ Рв+а

АСз

Ас,,

10' 101 104 10' т, сек

Рис. 2. Диаграмма изотермических превращений в холоднокатаных (х/к) и рекристаллизованных (р/о) листах из сплава ВТ22И при обработке в вакууме (--обработка в вакууме,.......обработка в воздушной среде).

Установлено, что при вакуумном отжиге при температурах ниже 450°С, когда дегазация еще не происходит, условия распада Р-фазы в холоднодеформированных листах из сплава ВТ22И совпадают с условиями распада при обработке их в воздушной среде. При температурах вакуумного отжига свыше 700°С процессы дегазации протекают интенсивно, температура полиморфного превращения повышается, водород из листов удаляется полностью, и процессы распада Р-фазы незначительно замедляются, по сравнению с распадом в листах, нелегированных водородом. В интервале температурно-временных условий начала (1МД) и конца дегазации (tic") водород неравномерно распределяется по объему листа (Рв/Р), а его содержание в Р-фазе меняется от исходного (0,3%) до конечного (0,005%). При этом распад р-фазы в областях, обедненных водородом, происходит при более низких температурах, по сравнению с обогащенными областями. Распад Р-фазы в предварительно рекристаллизованных листах происходит при более высоких температурах вакуумного отжига и больших временах выдержки (см. рис. 2).

Установлено, что исходная структура листов влияет на изменение критических скоростей охлаждения. В предварительно рекристаллизованных листах из сплава ВТ22И при уменьшении температуры вакуумного отжига в а+Р-области критические скорости охлаждения снижаются вследствие стабилизации Р-фазы за счет увеличения в ней концентрации р-стабилнзаторов. В холоднокатаных листах за счет формирования при температуре отжига' структуры с развитой межфазной границей интенсивность распада повышается, что приводит к увеличению критических скоростей охлаждения, которые максимальны после выдержки при температуре на 30-50°С ниже Ас3 сплава. При охлаждении холоднокатаных листов в вакуумной печи (i=0,4K/c) формируется (а+Р)-структура, близкая к равновесной, которая не позволяет обеспечить высокую твердость (НЯС<36ед.) и повысить ее последующим старением. В рекристаллизованных листах критическая скорость охлаждения гКР3 близка к скорости охлаждения в вакууме, вследствие этого твердость после охлаждения в печи высока (НЯС=41ед.). При обработке при более низких температурах вакуумного отжига (750°С) твердость листов снижается (HRC=37en.), и максимальных значений можно достигнуть после дополнительного старения (НЯС=42ед.).

Показано, что, варьируя температуры рекристаллизационного и вакуумного огжигов сплава ВТ22И, можно получить высокий комплекс механических свойств. Гак при температуре вакуумного отжига 800°С сплав имеет изначально высокие значения прочности (ов=1320 МПа), дальнейшее старение при 450°С в течение 6 часов дает незначительный ее прирост (ов=1350 МПа) и при обработке на максимальную прочность является нецелесообразным. После обработки при 750°С листы обладают недостаточно высокими значениями прочности (ав=920 МПа). Дальнейшее старение в интервале температур 450-550°С значительно повышает прочность листов при сохранении удовлетворительной пластичности (<Тв=1250-1350 МПа, 5=7,1-5,3%). Уровень механических свойств листов из сплава ВТ22И, полученных по водородной технологии, оказывается выше, чем листов из сплава NT35, подвергнутого стандартной обработке старением в воздушной среде.

Глава V. Использование высокопрочных титановых сплавов в элементах броневой защиты.

Глава посвящена разработке технологии получения и обработки элементов броневой защиты из высокопрочных титановых сплавов.

На основе исследований, проведенных в гл. III и IV, была разработана технология получения и обработки элементов броневой защиты из сплава ВТ22И, основанная на сочетании холодной прокатки и термоводородной обработки. Она включает следующие основные операции: наводороживающий отжиг заготовок до 0,3% при 720°С, горячую и холодную прокатку, рекристаллизационный отжиг при 650°С в течение 1 часа, штамповку и вакуумный отжиг при температуре 800°С без последующего старения или при 750°С с дальнейшим старением. Эта технология может быть применена для производства плит, листов или других плоских изделий из сплава ВТ22.

По такой технологии из сплава ВТ22И были изготовлены листы толщиной 1,5 мм. С этой целью стандартным электродуговым переплавом были получены слитки весом около 30 кг, химический состав которых близок к составу горячекатаных прутков, исследованных в работе. Слитки были разрезаны на сутунки размером 180x90x40 мм, которые подвергали наводороживающему

отжигу. Наводороживание проводили при температуре 720°С в течение 10 часов до концентрации 0,3%. На следующем этапе сутунки подвергали горячей прокатке в интервале температур 700-650°С и холодной прокатке с минимальной суммарной степенью деформации 40%. Горячая прокатка позволяет добиться равномерного распределения водорода по толщине образца, а холодная прокатка обеспечивает формирование текстуры с необходимой степенью текстурованности. Листы прокатывали при нормальной температуре с толщины 2,2-2,3 мм до 1,5 мм со степенями деформации 10-15% за один проход без промежуточных отжигов. Между горячей и холодной прокатками для выравнивания структуры по глубине листа их отжигали при температуре 650°С в теченне 1 часа. Холоднокатаные листы имели размеры 250x330x1,5 мм, гладкую поверхность и ровные края без каких-либо дефектов. Из полученных листов были вырезаны карточки размером 180x120x1,5 мм, которые подвергали рекристаллизацнонному отжигу при температуре 650°С в течение 1 часа и отжигу в вакууме при температурах 750"С в течение 1,5 часа и 800°С в течение 40 минут.

Проведен сравнительный анализ баллистических испытаний карточек толщиной 1,5 мм из сплава ВТ22И, полученных по такой технологии, и из сплавов ВТ35 и ВТ6, полученных по стандартной технологии. Показано, что для сплава ВТ35, состаренного на максимальную твердость при температуре 500°С, недостаточно пластичности для погашения энергии удара, и разрушение носит хрупкий характер. После старения при более высоких температурах твердость снижается, и в рассеянии энергии пули участвует больший объем металла, что повышает пулестойкость. Сплав ВТ6 в отожженном состоянии обладает высокой пластичностью, но листы из него легко пробиваются с минимальным объемом металла, участвующим в погашении удара.

У карточки из сплава ВТ22И, полученной по водородной технологии н состаренной на максимальную твердость, при баллистических испытаниях в поглощении энергии участвовал максимальный объем металла, что привело к высокому уровню пулестойкости. Увеличение температуры старения приводит к повышению пластичности карточек и несколько ухудшает пулестойкость.

Неплохие результаты показали карточки, отожженные при 800°С и дополнительно состаренные для обеспечения более высокой пластичности.

Показано, что полученные по водородной технологии листы из сплава ВТ22И обеспечили высокий уровень пулестойкости, превосходящий уровень листов из сплава ВТ35 и сплавов, применяемых в настоящее время в элементах броневой защиты, что позволило рекомендовать сплав ВТ22И для изготовления касок второго класса защиты.

По литературным данным броня наиболее эффективна, если она обладает твердой поверхность и вязкой сердцевиной. Этого можно достичь получением неоднородной структуры по сечению листа. При вакуумном отжиге в процессе дегазации распад Р-фазы на поверхности происходит при более низких температурах, что обеспечивает формирование более мелкодисперсной а-фазы, по сравнению с сердцевиной, где распад происходит при более высоких температурах.

Проведен анализ влияния режимов вакуумного отжига на получение неоднородной структуры и свойств по сечению листов. Для этого по водородной технологии из сплава ВТ22И были получены карточки толщиной 2,2 мм и отожжены в вакууме в интервале температур 500-800°С. Проведенные исследования показали, что после рекристаллизационного отжига твердость и структура однородна по толщине листа (рис. 3).

При вакуумном отжиге при температуре 750°С в течение 1,5 часов листы упрочняются на поверхности при сохранении низкой твердости в сердцевине, а структура различается дисперсностью а-фазы. Последующее старение при 450°С в течение 6 часов приводит к увеличению твердости листа, при этом неоднородность структуры сохраняется (рис. 3). Твердость листов, отожженных при 800°С в течение 40 минут однородна по толщине листа.

Проведен сравнительный анализ баллистических испытаний карточек из сплава ВТ22И и ВТ23 толщиной 2,2 мм. Испытания показали, что карточка из сплава ВТ23 обеспечила пулестойкость при обстреле со скоростью пули, отвечающей выстрелу с 50 м, а карточки из сплава ВТ22И - с 5 м (рис. 3). При этом наилучшей пулестойкостью обладала карточка из сплава ВТ22И, полученная по режиму: рекристаллизационный отжиг при 650°С в течение 1 часа, вакуумный

отжиг при 750°С в течение 1,5 ч, старение при 450°С в течение 6 ч и обладающая максимально неоднородной твердостью по сечению, что позволило рекомендовать листы из сплава ВТ22И, полученные по водородной технологии, для изготовления бронежилетов третьего и четвертого уровня защиты.

Н100, кг/мм2 450

Р.О.+В.О. 800°С. 40 мин

\РО.-»В.О. 750°С, 1,5 ч+450с X 400 С, 6 ч ^у/

. _ 350 В.О. 650°С, 2,5ч .'Х \ • /

Р.О.+В.0.750°С, 1,5 ч 300

Р.О. 650°С, 1ч

О 1,1 2,2

толщина листа, мм

ВТ23 ВТ22И ВТ22И

упул„=360м/с Р0:650°с, 1 ч+ВО: 800°С, 40 мин Р0:650°с, 1 ч+ВО: 750°С, 1,5ч

упули=420м/с + 450°С, 6 ч

VпJ'ЛИ=460м/c

Рис. 3. Влияние термической обработки на распределение твердости по сечению листа и максимальную скорость пробития листов толщиной 2,2 мм из титановых сплавов.

Проведенные испытания позволили дать рекомендации по выбору материала и технологии обработки титановых сплавов для использования их в элементах броневой защиты. Так листы, в зависимости от их толщины, из сплава ВТ22И, полученные по водородной технологии и ВТ35, полученные стандартной обработкой, рекомендованы для использования в бронежилетах 2-ого, 3-его и 4-ого класса. Листы толщиной до 1,5 мм из сплава ВТ22И, обработанные по режимам Р0+В0:750°с, 1,5 ч+450°С, 6 ч, рекомендованы для изготовления нового элемента бронезащиты - касок второго класса. Листы больших толщин, использующиеся в бронеконструкциях авиационной техники, целесообразно изготавливать из листов высокопрочных титановых сплавов переходного класса, полученных по водородной технологии. Показано, что сплав ВТ22 является перспективным для использования в плоских элементах броневой защиты, полученных по водородной технологии.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Установлено, что легирование водородом сплавов переходного класса ВТ22 и ВТ22И приводит к повышению механической стабильности Р-фазы в их структуре, вследствие чего возрастает пластичность водородосодержащих сплавов при нормальной температуре. В псевдо-Р сплаве ВТ35 с механически стабильной р-фазой увеличение содержания водорода приводит к твердорастворному упрочнению р-фазы и снижению пластичности при нормальной температуре.

2. Исследовано влияние водорода на формирование структуры и текстуры при холодной прокатке листов и последующей термической обработке. Установлено, что легирование водородом сплавов переходного класса приводит к формированию интенсивной кристаллографической текстуры Р-фазы типа (111)<110> при холодной пластической деформации прокаткой, что вызвано снижением упругих искажений кристаллической решетки Р-фазы и развитием скольжения в наиболее благоприятных системах. После рекристаплизационного отжига тип текстуры сохраняется.

3. Построены диаграммы изотермических превращений, описывающие температурно-временные условия полигонизации, рекристаллизации и распада Р-фазы в холоднокатаных, а также рекристаллизованных листах из сплава ВТ22И+0,3%Н при обработке в воздушной среде и в вакууме. Показано, что распад

Р-фазы в рекристаллизованных листах происходит при более высоких температурах, по сравнению с холоднодеформированными листами, и больших временах выдержки.

4. Показано, что в процессе вакуумного отжига в интервале температур 450-800°С водород неравномерно распределяется по объему листов, при этом распад р-фазы в областях, обедненных водородом, происходит при более низких температурах, по сравнению с обогащенными областями.

5. Установлено влияние исходной структуры сплавов на изменение критических скоростей охлаждения. Показано, что в предварительно рекристаллизованных листах при уменьшении температуры вакуумного отжига в а+Р-области критические скорости охлаждения снижаются вследствие стабилизации Р-фазы. В холоднокатаных листах за счет формирования при температуре отжига (а+Р)-структуры с более развитой межфазной границей интенсивность распада Р-фазы повышается, что приводит к увеличению критических скоростей охлаждения, которые максимальны после выдержки при температуре на 30-50°С ниже Асэ сплава.

6. Показано, что в холоднокатаных листах максимальная твердость после вакуумного отжига достигается при скоростях охлаждения, значительно больших, чем скорость охлаждения в вакуумной печи. Для достижения максимальной твердости после вакуумного отжига необходимо подвергать листы предварительному рекристаллизационному отжигу.

7. Разработана технологическая схема получения и обработки элементов броневой защиты из титановых сплавов переходного класса, включающая наводороживание, горячую и холодную прокатку, рекрнсталлнзационный отжиг, штамповку и вакуумный отжиг для обеспечения сплавам высокого комплекса механических свойств.

8. Разработан режим вакуумного отжига листов из сплава ВТ22И+0,3%Н для формирования максимально неоднородной структуры и твердости по сечению листа с целью обеспечения высокой пулестойкостн. Он включает в себя нагрев в вакууме при температуре 750°С, выдержку в течение 1,5 часа и старение при 450'С в течение 6 часов.

9. Разработаны рекомендации по выбору сплавов и технологии их обработки для использования в элементах бронезащиты. Листы из сплавов ВТ22 и ВТ22И.

полученные по водородной технологии, и ВТ35, полученные стандартной обработкой, рекомендованы для использования в бронежилетах 2-ого, 3-его и 4-ого класса. Листы толщиной до 1,5 мм из сплава ВТ22И, обработанные по режимам: рекриеталлизационный отжиг (650°С, 1 час) + вакуумный отжиг (750°С, 1,5 ч) + старение (450°С, 6 ч), рекомендованы для изготовления нового изделия бронезащиты • касок второго класса. Рекомендации использованы при изготовлении и испытаниях опытных образцов броневой защиты в рамках выполнения раздела «Материалы и сплавы со специальными свойствами» научно-технической программы Министерства образования РФ «Перспективные материалы», что подтверждено соответствующими документами.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Скворцоеа C.B. Крастилевский A.A., Самсонова М.Б., Крюкова Е.В. "Влияние схемы и степени холодной пластической деформации на структуру и свойства сплава ВТ22И легированного водородом". В сб. "Новые материалы и технологии" Тез. докл. РНТК, М„ МАТИ, 1995, с.14

2. Саисонова МБ., Крюкова Е.В. "Влияние холодной пластической деформации и термической обработки на структуру и свойства сплава ВТ22И". В сб. "XXII Гагаринскне чтения". Тезисы доклада всероссийской молодежной научной конференции, 1996, М., МГАТУ, с. 17-18

3. Крастилевский A.A., Самсонова М.Б., Ландарь М.Г. "Влияние легирования водородом на формирование текстуры при горячей и холодной прокатке высокопрочных титановых сплавов". В сб. "Новые материалы и технологии" Тез. докл. РНТК, М„ МГАТУ, 1997, с.19

4. Крастилевский A.A., Самсонова М.Б., Березкина Г.С. "Химико-термические методы управления структурой и свойствами высокопрочных титановых сплавов". В сб. "Новые материалы и технологии" Тез. докл. РНТК, М., МГАТУ, 1997, с.24

5. Ко.ыеров М.Ю., Самсонова М.Б., Крастилевский A.A. "Формирование структуры и свойств наводороженных листов из высокопрочных титановых сплавов в процессе вакуумного отжига". В сб. "Новые материалы и технологии" Тез. докл. РНТК, М., МГАТУ, 1997, с.27

6. Агаркова Е.О., Самсонова М.Б., Шинаева Е.В. "Влияние степени тетрагональности кристаллической решетки на размер междоузлий при переходе ОЦК-ГЦК". В сб. "Новые материалы и технологии" Тез. докл. РНТК, М., МГАТУ, 1997, с.18