автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Выделение силицидных частиц и их роль в формировании служебных свойств жаропрочных двухфазных сплавов титана

НА ПРАВАХ РУКОПИСИ

ДРОЗДОВА Наталья Анатольевна

ВЫДЕЛЕНИЕ СИЛИЦИДНЫХ ЧАСТИЦ И PIX РОЛЬ В ФОРМИРОВАНИИ СЛУЖЕБНЫХ СВОЙСТВ ЖАРОПРОЧНЫХ ДВУХФАЗНЫХ СПЛАВОВ ТИТАНА

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ 05.16.01 -МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ И ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

АВТОРЕФЕРАТ

ДИССЕРТАЦИИ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

ЕКАТЕРИНБУРГ -1998

Работа выполнена на кафедре "Термообработка и физика металлов" Уральского государственного технического университета

Научный руководитель доктор технических наук,

профессор Попов A.A. Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Пушин В.Г. доктор технических наук, профессор Шишмаков A.C.

Ведущее предприятие

ОАО МЗИК

Защита состоится "15 " июня 1998 г. в 15 ч 00 мин в ауд. Мт-421 на заседании диссертационного совета К063.14.02 Уральского государственного технического университета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УГТУ.

Ваш отзыв в одном экземпляре, заверенный гербовой печатью, просим направлять по адресу: 620002, Екатеринбург, К-2, ул. Мира, 19, УГТУ, ученому секретарю университета. Телефон (3432) 44-85-74, факс (3432) 74-53-35.

Автореферат разослан " 14 " мая 1998 г

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

Ю.Н. Логинов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Благодаря высокой удельной прочности и зррозиошюй стойкости в различных средах, титановые сплавы являются !Щими из самых перспективных материалов, применяемых в авиации и эсмонавтике. В связи с их использованием в реактивных, космических и акетных системах особую важность приобретают вопросы жаропрочности.

К настоящему времени накоплен большой экспериментальный материал и деланы существенные научные обобщения по взаимосвязи структуры и свойств «'¿новых сплавов, в том числе и жаропрочных. Сложились твердые редставления о типе структуры, которой должны обладать жаропрочные вухфазные сплавы титана для получения повышенных характеристик лужебных свойств. В основном это относится только к морфологическим собенностям а и р-фаз и практически нет единого мнения о роли нтерметаллидных частиц в формировании этих свойств. В то же время чевидно, что для более полной реализации возможностей легирования и ернической обработки необходимо детальное изучение роли элементов, оторые могут образовывать интерметаллиды в процессе технологического :икла обработки, и выяснение их оптимальных количеств для создания [атериалов, работающих при повышенных температурах и обладающих ысокой термической стабильностью и крипоустойчивостью.

Основной целыо настоящей работы явилось изучение закономерностей ;ыделения шггерметаллидных частиц в двухфазных сплавах титана и 'становление их роли в формировании служебных и технологических свойств в гроцессе цикла термодеформационной обработки, влияние силицидных частиц т последующее образование алюминида титана ТЬА1 (аг-фаза), благодаря соторому можно обеспечить повышение уровня жаропрочности. В связи с этим в эаботе были поставлены следующие задачи:

• На сплавах типа ВТ9 и ВТ25у изучить влияние кремния и циркония на закономерности образования и роста частиц силицидов.

• Установить роль силицидных частиц в формировании технологических и служебных свойств двухфазных сплавов.

• Выяснить влияние выделения силицидов на процесс формирования упорядоченной а2-фазы в двухфазных сплавах титана.

• Сформулировать практические рекомендации по корректировке составов сплавов и режимов их термической обработки для получения материалов, работающих при повышенных температурах с удовлетворительными служебными характеристиками.

Научная новизна

Проведено систематическое исследование выделения силицидных частиц в двухфазных жаропрочных сплавах титана при термодеформационной обработке и установлено их влияние на характеристики технологической пластичности и жаропрочности.

Впервые показано, что в отечественных жаропрочных сплавах типа ВТ25у при повышении температуры обработки или существенном увеличении длительности изотермической выдержки происходит трансформация силицида типа ("П^г^Ь в силицид типа (Т1,2т)2?ч с тетрагональной решеткой, в то время как в сплавах типа ВТ9 наблюдается переход в силицид (Т1,гг)6813 с гексагональной структурой.

Доказано, что силициды типа (Т^г^БЬ, выделяясь по межфазным границам, приводят к понижению технологической пластичности, в то время как силициды типа СП,2г)(^з и (Т^г^Й! выделяются в а-фазе и понижают жаропрочность сплавов.

Практическая ценность

На основании проведенных экспериментов разработаны рекомендации по корректировке составов и режимов термодеформационной обработки

двухфазных жаропрочных сплавов, использование которых на ВСМПО позволило повысить уровень жаропрочности сплава ВТ25у.

Рекомендовано в отечественных жаропрочных сплавах понизить содержание кремния до их минимального значения в пределах марки для предотвращения нежелательного выделения силицидных частиц.

Предложено в процессе цикла термической обработки осуществлять ускоренное охлаждение в интервале температур (ТПП-50)...650°С для подавления обеднения твердого раствора по кремнию, а последующее старение проводить при температурах не выше 600...630°С.

Апробация работы. Материалы диссертации были доложены и обсуждены на 6-м Республиканском совещания по старению сплавов, Екатеринбург, 1992; на Российской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии", Москва, 1995; на Юбилейной научно-технической конференции 'Фундаментальные и прикладные исследования - транспорту." УГАПС, Екатеринбург, 1996; на 13-й Уральской школе металловедов-термистов, Киров-Екатеринбург, 1996; на 14-й Уральской школе металловедов-термистов, Ижевск-Екатеринбург, 1998.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и выводов, изложена на 120 страницах машинописного текста, содержит 5 габлиц, 33 рисунка. Библиографический список включает 96 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулирована цель исследования, научная новизна и практическая значимость работы.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

В первой главе проанализированы литературные данные по вопросам легирования, термической обработки и структуры жаропрочных сплавов титана.

Глава заканчивается постановкой задач исследования по теме диссертационной работы.

2. МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Материалом исследования служили сплавы ВТ25у, ВТ9 и ВТ8 промышленной выплавки, а также модельные сплавы типа ВТ9. Химический состав сплавов приведен в табл. 1.

Таблица 1

Химический состав исследуемых сплавов

Марка сплава Легирующие элементы, мас.% (Тьоснова) Т °С 1 пп> ^

А1 Бп Ъх Мо \У &

ВТ25у 6,7 2,2 4,6 3,9 0,61 0,17 970

ВТ 8 6,5 - - 3,5 - 0,30 990

ВТ9 6,5 - 1,8 3,6 - 0,28 990

ВТ9ы 1 6,6 - 1,8 3,5 - 0,09 995

ВТ9м 6,5 - 1,8 3,6 - следы 1000

Основными методами исследования структурных и фазовых превращений служили металлография, дифракционная и растровая электронная микроскопия, рентгсноструктурный анализ.

Металлографический анализ осуществляли с применением оптического микроскопа "Ктеор1ю1:-21". Электронно-микроскопические и

микродифракционные исследования проводили на микроскопах Тея1а ВБ-500 и Ш0Ь-200СХ. Изучение поверхностей разрушения проводили на растровых электронных микроскопах ЛЮЬ-50С и РЭМ -200. Рентгеноструктурные исследования осуществляли на дифрактометрах ДРОН-3 и ДРОН-ЗМ в К„ медном и кобальтовом излучениях.

3. ВЛИЯНИЕ ПРОЦЕССА ВЫДЕЛЕНИЯ ЧАСТИЦ СИЛИЦИДОВ НА

СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА СПЛАВОВ ТИПА ВТ8 и ВТ9 В работах, выполненных ранее на Верхне-Салдинском металлургическом производственном объединении, было показано, что технологическая пластичность полуфабрикатов из некоторых жаропрочных сплавов титана при деформации в интервале умеренных (900...930°С) температур значительно

снижается, что приводит к растрескиванию изделий. Такое поведение наиболее характерно для сплавов типа В'Г9, ВТ18у, ВТ25у, в то время как для сплавов типа ВТ8, ВТЗ-1 и других сплавов (а+Р)-класса подобного явления не наблюдали. Причины этого явления до постановки настоящей работы не были установлены.

Нами было показано, что пониженная технологическая пластичность наблюдается в сплавах, легированных одновременно кремнием и цирконием. Причины снижения технологической пластичности изучали на примере сплавов ВТ8 и ВТ9, отличающихся только наличием в последнем 2% циркония. Перед испытанием сплавы подвергали термической обработке, имитирующей начальные стадии термического цикла производства полуфабрикатов (1100°С, 2 часа, перенос на 700°С, 2 часа, воздух). Такая обработка приводит к формированию пластинчатой структуры, обладающей повышенной термической стабильностью, с колониальным расположением пластин а-фазы. Влияние циркония и кремния анализировали отдельно.

Влияние циркония

Как показали лабораторные испытания, ударная вязкость сплава ВТ9 после термообработки по указанному выше режиму существенно ниже, чем у сплава ВТ8: 0.21 и 0.42 МДж/м2 соответственно. Повышение температуры испытания вплоть до 900°С не приводит к значительному росту ударной вязкости у сплава ВТ9, а у сплава ВТ8 при этом КСи монотонно увеличивается. При дальнейшем повышении температуры ударная вязкость сплава ВТ9 резко возрастает, и при 950°С значения КСи для обоих сплавов примерно равны. Так как составы сплавов ВТ8 и ВТ9 практически одинаковы и их отличие состоит лишь в наличии в сплаве ВТ9 около 2% циркония, то можно утверждать, что именно присутствие циркония вызывает такое изменение ударной вязкости сплава ВТ9 по сравнению со сплавом ВТ8. Анализ микрофрактограмм, полученных при высокотемпературных испытаниях, показал, что факторы, приводящие к охрупчиванию сплава ВТ9, интенсивно действуют только до температур порядка

920...930°С, и в очень узком температурном интервале происходит смек механизма разрушения.

Для более детального анализа структуры сплавов использовали метод дифракционной электронной микроскопии. Структура типична для двухфазны сплавов с пластинчатой структурой и состоит из относительно крупных пласта а-фазы, разделенных прослойками р-фазы. В прослойках р-фазы сплава ВТ можно наблюдать частицы размером 0.1...0.2 мкм. Как правило, такие частиц: имеют вытянутую форму и располагаются под углом к межфазной гранит Проведение микродифракционного анализа частиц позволило установить, чт они имеют гексагональную решетку с параметрами я=0.780нм, с=0.544т с/'я=0.70 и могут быть идентифицированы как комплексный силицид титана циркония типа СП,гг)581з (81). Кроме того, изредка частицы наблюдали и пластинах а-фазы, однако они всегда имели округлую форму и поел анализируемых обработок их количество было невелико. Количество таки частиц возрастает с повышением температуры нагрева в двухфазной облает! Проведение микродифракционного анализа частиц в теле сс-пластин позволил установить, что они имеют гексагональную решетку с параметрами а=0.702м с-0.368нм, ¿/¿7=0.524 и могут быть идентифицированы как комплексны силицид титана и циркония типа (Т^гЗ^з, или Бг. В сплаве ВТ8 подобны частиц обнаружено не было.

Образование силиццдных частиц в сплаве ВТ9 обусловлено тем, чт цирконий уменьшает предельную растворимость кремния в решетке титан; Поэтому представилось интересным выяснить влияние термообработк1 изменяющей количественное соотношение фаз, в частности, отжига в интервал температур двухфазной области, на характеристики вязкости этих сплаво) Отжиг проводили в интервале температур 700...990°С. Повышение температур: отжига приводит к увеличению ударной вязкости обоих сплавов, но во все случаях КС1Г для сплава ВТ8 несколько выше, чем для сплава ВТ9, хотя повышением температуры отжига разница в значениях уменьшается, а поел

>тжига при 950°С - минимальна. Кроме того, если характер изменения ударной вязкости сплава ВТ8 с повышением температуры отжига монотонен, то для :плава ВТ9 отжиг при температурах до 900°С незначительно увеличивает КСи, I при дальнейшем повышении температуры отжига КСи резко возрастает. Температура 900°С соответствует температуре начала рекристаллизации сплавов ЗТ8 и ВТ9, поэтому при нагреве сплава выше 900°С наблюдается миграция .гежфазных высокоугловых границ, что приводит к переводу частиц, неположенных по этим границам, в тело одной из фаз. При этом происходит рансформация решетки силицида из Б) в Бт. Этот процесс отражается на игачениях ударной вязкости, так как частицы третьей фазы на а/р-границах >аздела являются ко!щентраторами напряжений. Перевод частиц в тело а-фазы :опровождается ростом вязкости.

Сопоставляя данные структурных исследований с характером изменения !язкосшых свойств, можно заключить, что причиной охрупчивания сплава ВТ9 шляется выделение силицидных частиц по межфазным сс/р- границам. Как гоказали наши исследования, нагрев до 950°С позволяет растворить дисперсные шетицы силицида на межфазных границах и частично перевести кремний в "вердый раствор, и последующее быстрое охлаждение не позволяет выделиться :илицидам. Значения ударной вязкости сплава ВТ9, дополнительно )тожженного при 950°С, в интервале 750...900°С значительно выше, чем после исходной обработки (1100°С, 2 часа + 700°С, 2 часа), и близки к значениям КСи :плава ВТ8. Увеличение времени выдержки при температуре испытания триводит к уменьшению ударной вязкости сплава ВТ9, в то время как для сплава ЗТ8 ударная вязкость практически не зависит от времени выдержки. Предельная )астворимость кремния в а-фазе значительно меньше, чем р, поэтому при гагреве в (ос+р)-область частицы в а-фазе сохраняются и их полное растворение ггановится возможным лишь при нагреве в однофазную Р-область.

Следовательно, для повышения вязкости сплава ВТ9 целесообразно эекомендоватъ ускоренное охлаждение с температуры деформации 950...960°С и

не допускать понижения температуры обработки ниже 920°С. Проведение дальнейшей термической обработки следует осуществлять при температурах ш выше 600°С с целью подавления процесса выделения частиц силицида пс дислокациям, межфазным поверхностям и границам зерен.

Влияние кремния

Для проверки влияния силицидных частиц на технологическую пластичность были выплавлены сплавы типа ВТ9 с различным содержанием кремния (от 0.01 (следы) до 0.35%). Предварительную термическую обработку выполняли пс ранее указанной схеме (1100°С, 2 часа, перенос на 700°С, 2 часа, воздух). Ударная вязкость с температурой испытаний изменяется аналогична рассмотренному ранее случаю, причем существенная разница в значениях КСи наблюдается только при температурах испытаний менее 900°С, и чем меньше кремния в составе сплава, тем выше значения КСИ Следует подчеркнуть, что эта зависимость справедлива только при относительно малом содержании кремния (примерно до 0,25%), а при больших количествах кремния разницы в значениях ударной вязкости практически нет. Учитывая закономерное влияние количества кремния на значения КСи, в дальнейшем для сравнения с промышленным составом ВТ9 использовали сплав с 0,09%81 (ВТ9м1). Следует отметить, что для сплава ВТ9м1 значения ударной вязкости при повышенных температурах выше, чем для сплава ВТ8.

Жаропрочные сплавы титана чаще всего используются с исходной пластинчатой структурой а-фазы. Строение межфазных границ раздела в этом случае наиболее близко к когерентным с низкой поверхностной энергией. Возможно выделение силицидов и в сплавах с некогерентными межфазными поверхностями. Такие границы проще всего реализовать для сплавов с глобулярной формой частиц первичной а-фазы. Поэтому влияние кремния оценивали на сплавах с двумя типами исходной структуры: 1) глобулярно-пластинчатая (отжиг при 960°С, 1 час, после завершения

деформации в двухфазной (а+|3)-области);

2) пластинчатая (1100°С, 2 часа, перенос на 700°С, 2 часа, воздух).

Проведение испытаний на длительную прочность при 550°С показывает, что кремний в сплавах необходим в твердом растворе, а не в частицах силицидов. Проведение дополнительного отжига при 950°С с последующим ускоренным охлаждением для сплава ВТ9 приводит к возрастанию длительной прочности более чем в два раза, в то время как для сплава ВТ9м1 после аналогичных обработок длительная прочность отличается незначительно (табл. 2).

Таблица 2

Механические свойства сплава ВТ9 с различными типами структур

Сплав Тип структуры ст„, МПа 5,% КСТ, МДж/м2 Длительная прочность при 550°С

напряжение, МПа время до разрушения, ч

ВТ9 пластинчатая с силицидными частицами на а/р-границах 1000.2 4.6 0.10 550 180

ВТ9м1 910.0 13.5 0.36 90.5

ВТ9 пластинчатая без силицидных частиц на аф-границах 1010.0 6.2 0.30 550 >200

ВТ9м1 986.0 8.4 0.36 118.5

ВТ9 глобулярно-пластинчатая 1070.0 15.9 0.18 550 154.0

ВТ9м1 1010.0 17.8 0.41 36.6

В связи с изложенным выше представлялось интересным изучить кинетику выделения силицидных частиц в сплавах с пластинчатой и глобулярно-пластинчатой структурой в процессе изотермической выдержки в интервале температур 750...850°С. Испытания на ударный изгиб осуществляли после обработок по схеме: нагрев 950°С, выдержка 40 мин, перенос с подстуживанием в печь с температурой изотермической выдержки. Испытания проводили при указанных выше температурах по ГОСТ 9651-84 (Испытания при повышенных температурах до 1200°С). Продолжительность изотермической выдержки

варьировали от 3 мин до 8 часов. Результаты испытаний показали, что в сплавах с кремнием наблюдается относительно резкое уменьшение KCU после выдержки в течение 8... 12 мин (в зависимости от температуры испытаний), а в сплаве без кремния уменьшения ударной вязкости практически не происходит. Такой характер изменения ударной вязкости наблюдается и на глобулярно-пластинчатой, и на пластинчатой структурах.

Как показало электронно-микроскопическое исследование, протекающий распад метастабильной ß-фазы в процессе изотермической выдержки по схеме ß—»a+ß как в сплаве с кремнием, так и без него, аналогичен, и его течение не должно приводить к резко выраженному падению ударной вязкости. ß-KX+ß -превращение начинается с первой минуты выдержки при 750...850° С, а практически заканчивается к 1 часу. Различия в структурах сплавов с кремнием и без кремния в начале и в конце изотермической выдержки были связаны только с наличием частиц силицидов.

Изучение изотермического процесса образования частиц силицидов показало, что их выделение как в сплавах с пластинчатой структурой, так и с глобулярно-пластинчатой во многом близко. Наиболее быстро выделения появляются при 800°С, когда длительность инкубационного периода их формирования составляет около 6-8 минут, а при температурах выдержки 750 и 850°С несколько более - 10...12 минут. Частицы преимущественно наблюдаются на межфазных a/ß границах в ß-фазе и при небольших выдержках имеют ограненную форму, состав этих частиц близок к (Ti,Zr)5Si3. Начало выделения частиц совпадает по времени с падением ударной вязкости сплава. Так, если KCU сплава ВТ9 с пластинчатой структурой при 750°С с выдержкой до 5 минут составляет 0,60 МДж/м2, то при увеличении длительности распада более 20 минут КС U уменьшается до 0,35 МДж/м2. В сплаве ВТ9 с глобулярно-пластинчатой структурой уменьшение значений ударной вязкости в течение изотермической выдержки выражено более активно: при 5 мин выдержки KCU 1,0... 1,1, а при 20 мин - 0,56 МДж/м2. В сплаве ВТ9м1 заметных изменений

структуры при изотермической выдержке не наблюдали. Межфазные границы раздела свободны от частиц силицидов, и величина КСи сплава ВТ9м1 практически не зависит от времени выдержки.

При увеличении длительности изотермической выдержки более 10 часов или при температуре нагрева выше 800°С наблюдается трансформация этих частиц в силицид типа (Т^г^ц (82). Процесс трансформации связан с обогащением частиц цирконием, в результате которого изменяется пространственная группа симметрии. Как правило, частицы силицида Бг имеют неправильную округлую форму, которая свидетельствует о некогерентности частиц с матрицей. Так как процесс выделения силицидов протекает при некоторой подвижности межфазных а/(5 границ, то, по нашему мнению, изменение структурного типа выделения начинается после прохождения мигрирующей границы, когда частицы переходят в тело а-пластин или а-глобулей. Изменение группы симметрии при трансформации >82 практически не отражается на характеристиках твердости, прочности и жаропрочности сплава, но ударная вязкость при этом увеличивается.

Таким образом, анализируя силицидные частицы, наблюдаемые в сплавах типа ВТ9, можно заключить, что встречается два типа силицидов, которые различаются как пространственной группой симметрии, так и морфологией.

Силициды Б) всегда имеют огранку, которая свидетельствует об определенной когерентности матрицы и выделения и, как следствие, наличии полей упругих напряжений у границ раздела. Почти всегда силициды располагаются группами, в виде строчек, и они "привязаны" к межфазной границе раздела. При этом ориентировка частиц в пределах группы одинакова.

Силициды Бг всегда расположены внутри частиц а-фазы и имеют округлую форму, что свидетельствует о прошедшей до того их коалесценции. В составе таких силицидов всегда содержится большее количество циркония, и только за счет обогащения цирконием возможна трансформация силицидов типа 8) в 82. Частицы силицида Бг не имеют когерентной связи с матрицей и плохо

растворяются при нагреве. Это свидетельствует о том, что в составе этих частиц присутствуют элементы (олово, алюминий и т.д.), повышающие устойчивость решетки. Растворение этих частиц возможно только после нагрева в (3-область.

4, ИЗУЧЕНИЕ СОВМЕСТНОГО ВЫДЕЛЕНИЯ АЛЮМИНИДОВ И СИЛИЦИДОВ В ДВУХФАЗНОМ СПЛАВЕ ТИТАНА

В настоящее время установлено, что для достижения повышенной жаропрочности при температурах более 500°С необходимо осуществить выделение а2-фазы равномерно по телу а-фазы. Из отечественных двухфазных сплавов наиболее перспективным в этом отношении является сплав ВТ25у, в котором стандартной термической обработкой, как правило, удается реализовать требуемый уровень жаропрочности для длительной работы при повышенных температурах (выше 500°С). Однако в практике производства иногда не удается достичь необходимых характеристик жаропрочности, что может быть обусловлено отрицательным влиянием выделения силицидных частиц на последующее формирование (а(а2)+Р)-структуры. С целью проверки этого предположения изучали влияние исходной структуры (а+Р+силициды) и (а+а') на последующее формирование аг-фазы.

Для уточнения температурно-временных интервалов выделения силицидных частиц сплав обрабатывали в однофазной (1050°С) и двухфазной (960°С) областях с последующим переносом в интервал температур наиболее интенсивного выделения силицидов (700,..850°С). Как показали наши исследования, в процессе изотермической выдержки одновременно протекает два процесса: изотермическое Р~»а+Р превращение и формирование частиц силицидов. Выделение силицидных частиц как после выдержки в р, так и в (а+Р)-области, наблюдали после выдержек, больших, чем начало р-кх превращения. Как и для сплава ВТ9, силициды зарождаются преимущественно в Р-фазе на межфазных а/р границах. Эти частицы имеют четкую огранку, которая показывает их ориентационную связь с матрицей. Расчет электроноГрамм, полученных с таких частиц, показал, что первоначально

выделяются силициды типа (^^^¡з аналогично описанному ранее для сплава ВТ9.

По мере увеличения длительности выдержки при повышенных температурах при протекании (3-»а превращения некоторые частицы оказываются в а-фазе и при этом теряют кристаллографическую связь с матрицей, обусловленную когерентностью первичных продуктов распада. Описанная трансформация преимущественно наблюдается при повышенных температурах распада (800°С и выше) или в тех случаях, когда сплав с силицидами Б; дополнительно нагревали на температуру выше, чем температура формирования частиц Б]. Следует отметить, что повышение температуры нагрева в двухфазной области не приводит к растворению частиц силицидов, а только меняет места их предпочтительного расположения и структурный тип. Растворение частиц происходит только при нагреве в (З-область.

Микродифракционным анализом установлено, что от глобулярных силицидов, расположенных в а-фазе, на электронограммах проявляется система рефлексов от фазы типа 2г28ь Силицид циркония типа имеет

тетрагональную решетку (структурный тип С16), обозначается Б-, и наблюдается в двойных сплавах цирконий-кремний с повышенным содержанием циркония. В сплавах на основе титана такого силицида ранее не наблюдали. Это может быть обусловлено большим атомным соотношением Zr к 51 для сплава ВТ25у (8,010,0), чем для ВТ9 (1,5-2,0), и, тем самым, вероятностью образования более стабильного тетрагонального силицида. В псевдо а-снлаве ВТ18у отношение количества аналогично ВТ25у. Расчет электронограмм показал, что

выделяющиеся в а-фазе силициды также имеют тетрагональную решетку типа СиАЬ. Таким образом, можно утверждать, что в титановых сплавах тип силицида, выделяющегося в а-фазе, определяется количественным отношением циркония к кремнию и при его увеличении наблюдается переход от гексагональной решетки с пространственной группой Рб/ттт при с/а ~ 0,5 к тетрагональной решетке с пространственной группой 14/ттт.

Таким образом, как показали наши исследования, силициды Б] выделяются на межфазных \Ма границах раздела и растут в (3- фазе, а силициды формируются и растут преимущественно в а- фазе.

Далее,-для подтверждения высказанной выше гипотезы о влиянии выделения силицидов на формирование а2 -фазы, была проведена термическая обработка по трем вариантам. Во всех трех случаях обработке подвергали прутки промышленной плавки диаметром 25 мм.

По первому варианту образцы сплава нагревали до температуры 1050°С (ТПП+80°С), выдерживали и переносили в ванну с температурой 750°С для формирования пластинчатой структуры с выделениями силицидов Б] по межфазным поверхностям раздела. Время изотермической выдержки при 750°С составляло 8 часов. Как показали результаты микродифракционного и рентгеноструктурного анализов, после такой обработки в сплаве преимущественно наблюдаются силициды хотя и изредка встречаются частицы Бз в крупных пластинах а-фазы.

По второму варианту сплав после первой обработки дополнительно отжигали при 930°С с целью перевода основной части силицидов Б) в Бз.

По третьему варианту обработки образцы сплава нагревали до 1050°С, выдерживали и охлаждали на воздухе. Формирующаяся при этом структура представляла собой тонкодисперсную (а+Р)- структуру без заметного количества других фаз.

После проведения таких обработок сплав подвергали старению при 560°С. Температура 560°С была выбрана как температура наиболее интенсивного выделения аг-фазы и как предельная температура длительной эксплуатации сплава ВТ25у.

Следует отметить, что в образцах, обработанных по третьему варианту, метастабильность ¡^-твердого раствора выше (период решетки р-фазы составляет 0,3261 им, в то время как после первого варианта - 0,3242 нм) и, как следствие этого, при старении распад а-матрицы по схеме р—>ос+р протекает более

интенсивно, что сопровождается некоторым упрочнением. Незначительное уменьшение твердости при выдержке 20...30 часов, видимо, связано с процессами коагуляции продуктов распада мстастабильной (5-фазы. С увеличением длительности старения начинаются процессы упорядочения в а-фазе и при выдержках более 10 часов на электронограммах фиксируются отражения от а2-фазы, а на микрофотографиях в а-фазе наблюдаются плоские скопления дислокаций, формирование которых характерно при выделении а.г-фазы. После такой обработки на межфазных а/р границах иногда наблюдается образование дисперсных частиц силицида Б,, количество которых мало. Наиболее интенсивно процесс образования «2 фазы протекает после 30 часов старения, что проявляется в заметном приросте твердости .

В случае старения сплава, обработанного на предварительное выделение силицидных частиц (варианты I и II), образование аг-фазы начинается при более длительных выдержках (более 25 часов). Причем нам не удалось наблюдать эти частицы в тех зернах сс-фазы, в которых имелись частицы силицидов (вариант II). Прирост твердости при старении в этих случаях несколько меньше и в основном связан с распадом Р-фазы, а не с выделением а2 -частиц.

Таким образом, полученные результаты показывают, что в том случае, когда в сплаве предварительной обработкой получены силициды, выделение аг-фазы тормозится особенно в тех микрообъемах, где наблюдаются силицидные частицы типа Бз. Как следствие этого, можно ожидать, что в тех случаях, когда наблюдается выделение силицидных частиц, уровень жаропрочности существенно ниже, чем при их отсутствии. По всей видимости это обусловлено тем, что в состав силицидных частиц входят цирконий, кремний и, возможно, олово и алюминий. Кроме того, растворимость элементов внедрения в решетке силицида также высока. В результате происходит обеднение твердого раствора по этим элементам и уменьшается алюминиевый эквивалент, который можно считать показателем возможности образования агфаэы.

Полученные результаты, на наш взгляд, позволяют проанализировать рол циркония в формировании силицидных частиц. Мы считаем, что циркони ускоряет процесс образования силицидов и способствует изменению и структурного типа, но не оказывает существенного влияния на температуру и растворения.

Для проверки результатов лабораторных исследований, совместно лабораторией титановых сплавов ВСМПО, изучали структуру и свойств изделий из сплава ВТ25у, полученных по различным схемам обработк непосредственно в процессе производства.

В практике изготовлении крыльчаток компрессора иногда использовал слитки разных диаметров: 750 и 475 мм. Это позволило выяснить влияни скорости охлаждения при кристаллизации, так как слиток меньшего диаметр подвергался более ускоренному охлаждению, чем слиток большего диаметр: Как показали результаты исследования микроструктуры при обычных скоростя охлаждения (диаметр слитка 750 мм) в сплаве формируются частицы силицидо! а при ускоренном - нет. Оба слитка деформировали в Р-области с завершение] деформации в интервале температур (сс+(5)-области. После этого шайбь диаметром 400 мм и высотой 100 мм с подготовленной в (а+Р)-област структурой, подвергали стандартной обработке: отжигу при 940°С, 2 ч. охлаждением на воздухе и старению при 530°С - 6 часов.

Как показали результаты механических испытаний (таблица 3) проведени термической обработки по стандартной схеме (940°С, 1 час, воздух+старени при 530...550°С, 6 часов) позволило реализовать в обеих плавках требуемы уровень свойств при комнатной температуре, но не обеспечило необходимо жаропрочности при повышенной температуре. Деформация при ползучести дл слитка меньшего размера (ускоренное охлаждение) была меныш Высокотемпературная ползучесть при 566°С снижается при этом почти в дв раза. Так, если после предварительного ускоренного охлаждения 8=0,295% пр напряжении 240 МПа (время нагружения 50 ч), то в случае стандартног

охлаждения £=0,495%. Проведение дополнительного нагрева в Р-область (Т1Ш+15...20°С) перед стандартной обработкой позволило повысить характеристики длительной прочности при сохранении удовлетворительных прочностных и пластических характеристик, но для сплава с замедленной скоростью кристаллизации не удалось достичь требуемых параметров по остаточной деформации при ползучести.

При изучении структуры сплава после указанных обработок подтвердилось то, что образование силицидов типа Бз (замедленное охлаждение) затрудняет выделение частиц «2 СП3А1) в теле а-фазы и, тем самым, снижает блокировку дислокации, увеличивая их подвижность, а в тех случаях, когда силицидов нет (ускоренное охлаждение) или они располагаются только в [5-фазе на межфазных прослойках (81), внутри частиц а-фазы происходят процессы упорядочения и, как их следствие, повышаются характеристики жаропрочности.

Таблица 3

Механические свойства крыльчатки компрессора из сплава ВТ25у

Обработка а„, МПа 0о,2, МПа е, % сг=240 МПа, 560°С, 50 ч

ускоренное охлаждение стандартная обработка 1077 1010 43,6 0,295

нагрев 990°С+стандартная обработка 1140 1006 13,0 0,110

замедленное охлаждение стандартная обработка 1125 1010 26,8 0,495

нагрев 990°С+стандартная обработка 1110 980 20,0 0,35

Требования ОСТ >1084 >958 >10 <0,15

Аналогичные результаты получены и на дисках из сплава ВТ25у различных конфигураций. В больших сечениях, как правило, наблюдается повышенная

деформация при ползучести, которая обусловлена меньшей долей выделения аг-фазы в тех случаях, когда в сплаве присутствуют силицвдные частицы.

Таким образом, на примере сплава ВТ25у показано, что в тех случаях, когда наблюдается выделение силицидных частиц типа (Т^г)281, уменьшается количество выделений а2-фазы, что приводит к понижению уровня жаропрочности. Поэтому в жаропрочных сплавах титана содержание кремния не должно превышать его предельную растворимость в матрице для предотвращения выделения силицидов.

Следовательно, на основании представленного анализа и полученных закономерностей можно рекомендовать конкретные режимы термообработки двухфазных титановых сплавов для более полной реализации их возможностей как жаропрочных материалов. В основном они сводятся к понижению содержания кремния в пределах марки и регламентации термической обработки в интервале температур возможного выделения силицидов: 920...650°С для предотвращения их образования.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Установлено, что в двухфазных жаропрочных титановых сплавах типа ВТ25у и ВТ9 при термодеформационной обработке происходит формирование силицидных частиц типа (Т^г)581з (БО с гексагональной решеткой, зарождение которых преимущественно происходит на межфазных сс/(3 -границах со стороны (З-фазы. В процессе последующей термообработки, особенно при температурах, превышающих формирование указанного силицида, возможно изменение структурного типа этого силицида за счет трансформации решетки при ее обогащении атомами циркония.

2. Показано, что обогащение силицида атомами циркония в сплавах типа ВТ9 приводит к структурной формуле (Т1,2г)681'з (Бг) без изменения сингонии решетки, но с изменением ее параметров, а в сплаве ВТ25у - сопровождается изменением симметрии решетки от гексагональной к тетрагональной и

образованием силицида типа (Zr,Ti)2Si (S3). Изменение симметрии связано с повышением отношения количества атомов циркония к кремнию от 1,5...2,0 в сплаве В'Г9 к 8,0... 10,0 в сплаве ВТ25у. Частицы S2 и S? преимущественно располагаются в а-фазе.

Установлено, что повышение температуры нагрева в двухфазной области не приводит к растворению частиц силицидов, а только меняет места их предпочтительного расположения и структурный тип. Растворение частиц происходит только при нагреве в (S-область.

1. Проанализированы причины уменьшения технологической пластичности в двухфазных жаропрочных сплавах, содержащих одновременно цирконий и кремний, и подтверждено, что ее уменьшение обусловлено выделением силицидных частиц при температурах ниже 900°С. Впервые показано, что за уменьшение характеристик вязкости в основном ответственны силициды типа S], в то время как наличие частиц типа S2 и S3 не оказывает заметного влияния на эти характеристики.

. Показано, что для повышения уровня жаропрочности необходимо атомы кремния сохранить в твердом растворе и подавить процесс образования силицидных частиц, так как при обеднении твердого раствора по кремнию и цирконию за счет образования частиц увеличивается подвижность дислокаций и, как следствие, понижаются характеристики жаропрочности.

. На примере сплава ВТ25у установлено, что силициды типа S3, находясь в а-твердом растворе, обедняют его по a-стабилизаторам: алюминию, углероду, азоту и кислороду и, тем самым, уменьшают склонность к образованию упорядоченной а2-фазы. Как следствие уменьшения количества а2 -фазы снижается уровень жаропрочности сплава. Аналогичную роль играют и силициды типа S2 в сплаве ВТ9.

. На основании проведенных экспериментов рекомендовано понизить концентрацию кремния в жаропрочных сплавах с цирконием до предела растворимости кремния в a-твердом растворе, а в тех случаях, когда это

невозможно, то держать содержание кремния на нижнем пределе марки. В последнем случае при назначении режима термической обработки необходимо подавлять процесс образования силицидов путем сокращения времени обработки в интервале температур (ТПП-50°С)...650°С, за счет применения ускоренного охлаждения полуфабрикатов. Предложенные рекомендации переданы для использования на Верхне-Салдинское металлургическое производственное объединение, где нашли свое подтверждение в практике производства полуфабрикатов.

Основное содержание диссертации изложено в следующих печатных работах:

1. Попов A.A., Дроздова H.A., Трубочкин A.B. Изучение процесса выделения силицидов в двухфазных титановых сплавах //Материалы 6-го республиканского совещания по старению сплавов. Екатеринбург, 1992. С.85.

2. Попов A.A., Дроздова H.A., Трубочкин A.B. Роль интерметаллидов в формировании свойств двухфазных жаропрочных сплавов титана //Тездокл. Российской научно-технической конф. "Новые материалы и технологии". Москва,

1995. С.28.

3. Дроздова H.A., Кривенко A.B. Влияние интерметаллидов на структуру и свойства жаропрочного титанового сплава ВТ25у // Тез. докл. Юбилейной научно-технической конференции "Фундаментальные и прикладные исследования - транспорту" УГАПС, Екатеринбург, 1996.

4. Попов A.A., Дроздова H.A., Трубочкин A.B. Влияние легирования на структуру и свойства жаропрочных сплавов титана //Новые материалы и технологии: Сб. статей. М;: МАТИ-РГТУ, ЛАТМЭС,

1996. С. 7-12.

5. Попов A.A., Дроздова H.A. Принципы легирования жаропрочных двухфазных сплавов на основе титана //Физика металлов и металловедение. 1997. 84, №4. С.123-132.

6. Дроздова H.A., Попов A.A. Влияние силицидов на процессы формирования аг-фазы в жаропрочном тита-новом сплаве ВТ25у //Тез. докладов 14-й Уральской школы металловедов-термистов "Фундаментальные проблемы физического металловедения и перспективных материалов" Ижевск-Екатеринбург, 1998. С. 235-

236.

Подписано в печать 6.05.98 Бумага писчая Офсетная печать

Уч.-изд. л. 1,09 Тираж 100

Формат 60x84 1/16 Усл. п. л. 1,39 Заказ 107 Бесплатно

Издательство УГТУ 620002, Екатеринбург, Мира, 19 Ризография УГТУ. 620002, Екатеринбург, Мира, 19