автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Закономерности формирования структуры и комплекса физико-механических свойств сплавов системы титан-ниобий-водород при термической обработке и пластической деформации

РГ6 «А

. 3 ИЮИ '»035

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

На правах рукописи

УДК 669.295'293'788:620.181

АГАРКОВА Елена Олеговна

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ И КОМПЛЕКСА

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ ТИТАН-НИОБИЙ-ВОДОРОД ПРИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ И ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ

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 технолоп термической обработки" Московского государственного авиационнс го технологического университета им. К.Э.Циолковского.

Научный руководитель - доцент, кандидат технических на:

Коллеров Михаил Юрьевич Официальные оппоненты - доктор технических наук

Шефтель Елена Наумовна (ИМЕТ) - кандидат технических наук, Шаханова Галина Васильевна (ВШК

Ведущее предприятие указано в решении Ученого Совета.

Защита состоится 29 июня 1995 года в 14 часов на заседг нии диссертационного Совета К 063.56.04 по присуждению уч( ной степени кандидата наук в области металловедения и обработ! давлением в Московском государственном авиационном технолоп ческом университете им. К.Э.Циолковского по адресу: 10376' Москва. К-31, ул.Петровка, 27. МГАТУ им. К.Э.Циолковского. 0г: зыв на автореферат в одном экземпляре (заверенный печатью) щ сим направлять по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университ<

та.

Автореферат разослан 2./1 мая 1995 г.

Ученый секретарь Совета доцент, кандидат технических наук

В.С.Соколов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Разработка новых сплавов на основе титана и технологии их обработки невозможны без детального изучения фазовых и структурных превращений, происходящих в них при термическом и деформационном воздействии. Такие исследования широко проводились отечественными и зарубежными учеными и достаточно полно обобщены в работах Маквиллэна М. К., Цвиккера У., Коллингза Е.В., Носовой Г.И., Колачева Б.А. и Ильина А.А. Сплавы системы Т1-Ш) довольно часто использовались в качестве объекта исследований. С одной стороны, они служат удобной модельной системой для изучения фазовых превращений в сплавах Т1 с р-стабилизаторами, т.к. из-за близости значений атомных радиусов титана и ниобия можно не учитывать влияние размерного несоответствия атомов, а, с другой стороны, являются основой для создания сверхпроводящих-материалов. Для сплавов этой системы установлены концентрационные зависимости фазового состава, структуры и физико-механических свойств в закаленном и отожженном состоянии. Однако, появившиеся в последние годы новые технологии. использующие водород в качестве временного легирующего элемента, позволяющего управлять процессами структурообразова-ния в титановых сплавах ставят перед необходимостью проведения новых исследований, включающих в себя изучение влияния водорода на фазовые превращения и свойства титановых сплавов.

Технологические процессы, основанные на обратимом легировании водородом и включающие в себя на последнем этапе вакуумный отжиг, используются для повышения технологических и эксплуатационных свойств конструкционных и жаропрочных титановых сплавов. В то же время большой научный и практический интерес представляет использование водорода как постоянного легирующего элемента в сплавах, обладающих специальными свойствами, такими, как эффект запоминания формы, демпфирующая способность и сверхпроводимость. В последнем случае легирование водородом позволит более эффективно управлять структурой, технологичностью и уровнем специальных свойств.

Исследования, направленные на установление влияния водорода на закономерности изменения структуры и свойств сплавов сис-

темы Т1-Ж) при термическом и деформационном воздействии имеют большое практическое значение. Они позволят определить область составов водородосодержащих сплавов, обладающих сверхпроводящими свойствами и высокой технологичностью. На этой основе можно разработать технологию обработки сверхпроводящих сплавов с пониженным содержанием ниобия, а, следовательно, с меньшим удельным весом и более низкой себестоимостью по сравнению с применяемым в настоящее время промышленным сплавом НТ50.

Цель настоящей работы заключалась в установлении закономерностей влияния термической обработки и холодной пластической деформации на формирование фазового состава и структуры, механические и сверхпроводящие свойств сплавов системы Т1-Ш), дополнительно легированных водородом, и в определении на их основе перспективных составов технологичных водородосодержащих сплавов с пониженным содержанием ниобия для производства промышленных многожильных сверхпроводников.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) Уточнить влияние термической обработки на структуру и свойства сплавов системы П-ИЬ.

2) Установить влияние дополнительного легирования водородом и термической обработки на фазовый состав, структуру и свойства сплавов системы Т1-№э.

3) Определить влияние фазового состава и структуры на закономерности холодной пластической деформации сплавов системы Т1-ИЬ-Н.

4) Выбрать область составов сплавов системы Т1-№э-Н. которые обладают сочетанием высоких технологических и сверхпроводящих свойств при минимальном содержании ниобия. обеспечивающем снижение удельного веса и себестоимости сверхпроводника и разработать технологию их обработки.

Научная новизна работы

1) Установлено влияние скорости охлаждения от температур р-области на формирование фазового состава, структуры и

свойств сплавов системы Т1-Ш). которое обобщено в виде диаграммы "фазовый состав - скорость охлаждения - содержание ниобия".

2) Определены закономерности формирования фазового состава, структуры и свойств сплавов системы Т1-№-Н после высокотемпературной термической обработки, которые обобщены в виде диаграмм "фазовый состав закаленных сплавов - содержание ниобия и водорода" и "фазовый состав сплавов - скорость охлаждения - содержание водорода".

3) Показано, что в сплавах, содержащих от 5,4 до 18,1%

и более 5% водорода происходит образование новой, неизвестной ранее в титановых сплавах фазы X. которая представляет собой гидрид с ОЦТ кристаллической решеткой, отношение с/а которого зависит от концентрации ниобия в сплаве и находится в пределах 1,1____1,2.

4) Изучено влияние исходного фазового состава на закономерности фазовых и структурных превращений, происходящих в сплавах системы Т1-№-Н при холодной пластической деформации сжатием. Показано, что в сплавах, содержащих менее 13,4 ат.% №э и более 5 ат.% водорода, в структуре которых образуется гидрид с ОЦТ кристаллической решеткой, при деформации происходит образование гидрида с ГЦК кристаллической решеткой, что вызывает сильное ох-рупчивание сплавов.

5) Установлено, что водород повышает стабильность (5-фазы как к атермическому {5-а"-превращению, так и к превращению под действием напряжений и деформации, и, как следствие, приводит к повышению технологической пластичности сплавов системы Т1-МЬ критического и закрити-ческого состава.

Практическая значимость работы

Определена область сплавов системы П-Ш-Н. которые могут быть использованы в качестве сверхпроводников, обладающих соче-

* В работе содержание водорода и ниобия указано в ат.%

танием высоких технологических и сверхпроводящих свойств при минимальном содержании ниобия и разработаны режимы наводоражи-

вающего отжига при температуре 650____700° С до концентрации

12____20% Н. Такие сплавы обладают на 14____17% меньшим удельным весом и на 11____13% более низкой стоимостью по сравнению с

применяемым в настоящее время промышленным сплавом НТ50.

Результаты работы использованы в ОКБ "Горизонт" для разработки нового сверхпроводящего сплава и технологии его обработки, что подтверждено соответствующим актом.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены на Я. научно-технических конференциях и семинарах.

Публикации. По теме диссертации опубликовано работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, обидах выводов по работе, списка использованной литературы из в.? наименований и приложения. Изложена на 39 страницах машинописного текста, содержит $3 рисунков и /2. таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава I. Литературный обзор

В главе обобщены результаты исследований фазового состава, структуры и свойств сплавов системы Т1-№э. проведенных различными авторами. Показано, что сплавы системы Т1-Шэ в зависимости от химического состава и термической обработки могут иметь сложный фазовый состав. Даны характеристики равновесных и ме-тастабильных фаз и описаны фазовые и структурные превращения, происходящие в сплавах системы ТШЬ при закалке и старении. Показано, что данные разных авторов по определению критических концентраций в системе Т1-Шэ не совпадают, кроме того недостаточно определено влияние скорости охлаждения на формирование структуры и свойств сплавов.

Так же показано, что такие характеристики сверхпроводимости. как температура перехода в сверхпроводящее состояние и критическое магнитное поле зависят от химического состава сплавов, а величина критической плотности тока определяется количеством дефектов структуры (дислокаций) и размером частиц второй фазы.

Легирование титано-ниобиевых сплавов Zr, Hf. Та, W. А1. Си, Fe. а также С, О и N может повысить сверхпроводящие характеристики, однако введение легирующих элементов, как правило, приводит к ухудшению обрабатываемости сплавов и усложнению технологии их производства.

Введение в титановые сплавы в качестве легирующего элемента водорода позволяет эффективно управлять структурой и свойствами титановых сплавов, к тому же оно достаточно легко осуществляется технологически. Однако, до настоящего времени влияние водорода на структуру и свойства сплавов системы Ti-Nb изучено не было.

При анализе влияния режимов термической обработки и пластической деформации на структуру и свойства сплавов показано, что сверхпроводящие свойства титано-ниобиевых сплавов варьируются в широких пределах в зависимости от состава сплава и его обработки. Наиболее пригодными в качестве сверхпроводящих материалов являются сплавы системы Ti-Nb. содержащие более 27 - 28% Nb. в которых в результате пластической деформации с высокой степенью и последующего старения формируется мелкомасштабная ячеистая структура ^-твердого раствора, содержащая высокодисперсные выделения второй фазы. В заключении главы делается вывод о необходимости проведения работ по определению влияния водорода на структуру и свойства сплавов системы Ti-Nb и ставится задача исследования.

Глава II. Объекты и методы исследования.

Исследования проводили на сплавах системы Ti-Nb, полученных сплавлением иодидного титана (99,98%) и электролитического ниобия (99,9%) в электродуговой печи с нерасходуемым вольфрамовым электродом в атмосфере очищенного гелия на медном водоох-лаждаемом поду пятикратным переплавом. Наибольшая концентрация ниобия составляла 29,7%.

Насыщение образцов водородом проводили термодиффузионным методом в установке Сивертса из газообразной среды при давлении водорода до 0,8 атм. в интервале температур 650—800°С. Максимальное содержание введенного водорода составляло 30%.

Термическую обработку образцов проводили в печах электросопротивления с воздушной атмосферой.

Охлаждение образцов с разной скоростью осуществляли при охлаждении в различных средах и при регламентированном охлаждении с печью. Скорость охлаждения определяли по показаниям заче-каненных в образцы термопар.

Микроструктуру образцов изучали с помощью оптического микроскопа "Неофот-30" при увеличениях до 500 крат, тонкую структуру образцов изучали на фольгах на JEM-200C при увеличениях до 60000 крат, фазовый состав и периоды кристаллической решетки определяли методами рентгеноструктурного анализа на дифракто-метре ДР0Н-4-07 в фильтрованном Ка медном излучении.

Механические свойства образцов исследовали при испытаниях на сжатие на прессе ПМ-125 усилием 125 тс при нормальной температуре с начальной скоростью деформации е0=1,33 Ю-2/с. Пластичность сплавов при комнатной температуре в условиях сжатия оценивали предельной степенью деформации (епр), соответствующей образованию первой макроскопической трещины, а сопротивление деформации - удельными усилиями сжатия.

Твердость образцов измеряли в соответствии с ГОСТ 9013-59.

Критическую плотность тока измеряли при температуре жидкого гелия четырехконтактным методом в магнитном поле переменной напряженности. Для испытаний использовались проволочные образцы из сплавов системы Ti-Nb-H с медным покрытием, напыленным ион-ноплазменным методом.

Глава III. Фазовый состав, структура и свойства сплавов системы Ti-Nb

В главе приведены результаты исследований фазового состава, структуры и свойств сплавов системы Ti-Nb с исходным содержанием водорода после охлаждения с различной скоростью от температур ß-области.

Показано, что после охлаждения со скоростью выше первой критической, т.е. той, при охлаждении со скоростью больше которой диффузионные процессы полностью подавлены и фазовые превращения могут развиваться только сдвиговым путем, сплав с 5.4 %Nb

имеет структуру мартенсита а' (ГПУ). Увеличение содержания ниобия. как и любого другого р-стабилизатора вызывает ромбическое искажение кристаллической решетки мартенсита. В сплаве с 9.6 Шэ образуется мартенсит а" с ромбической кристаллической решеткой и небольшое количество р-фазы. Закаленные сплавы, содержащие 13,4; 18,1 и 24.0 Жз имеют (а"+р+ш)-структуру. Увеличение концентрации ниобия приводит к увеличению степени ромбического искажения кристаллической решетки мартенсита а", а также к росту объемной доли р-фазы. Значения периода кристаллической решетки 0-фазы и параметра са" при этом практически не меняется, что объясняется близостью значений атомных радиусов титана и ниобия. Объемная доля ш-фазы максимальна в сплаве с 13.4 %!№. а затем снижается. В сплаве критического состава ш-фаза образуется в виде крупных пластин, размеры которых уменьшаются с увеличением концентрации ниобия. Количество мартенсита а" изменяется неоднозначно. Оно резко снижается в сплаве с 13,4 5ДОЬ, слегка увеличивается в сплаве с 18.1 %ЛЬ и в сплаве с 24,0 5ШЬ вновь уменьшается. Такое изменение количества мартенсита, а также существование широкой трехфазной области, в которой мартенсит а" сосуществует с р- и ш-фазами и образование крупных пластин ш-фазы в сплаве критического состава не характерны для сплавов титана с другими ^-изоморфными стабилизаторами. Оно может быть объяснено высокой склонностью сплавов системы Т1-Щ) к образованию флуктуации химического состава. Сплавы, содержащие более 24% 1№, после закалки от температур (5-области имеют однофазную структуру, представленную р-фазой.

Вторая критическая скорость охлаждения, т.е. та. при охлаждении со скоростью меньше которой процессы диффузии протекают полностью и образуется равновесная структура в соответствии с диаграммой состояния, уменьшается от 0,1 до 0.033 К/с при увеличении концентрации ниобия от 5.4 до 9.6% Шэ. Для сплавов, содержащих более 9,6% № вторая критическая скорость охлаждения составляет менее 0.01 К/с и в работе не была определена.

В интервале скоростей охлаждения между первой и второй критическими в образовании новых фаз принимают участие как сдвиговые, так и диффузионные механизмы. Это приводит к формированию фаз, имеющих неоднородный химический состав. В частнос-

ти. образующийся при таких скоростях охлаждения мартенсит имеет переменную степень ромбического искажения.

Результаты эксперимента были обобщены в виде диаграммы "фазовый состав - скорость охлаждения - концентрация ниобия".

Показано, что увеличение содержания ниобия в сплавах приводит к уменьшению критических скоростей охлаждения. Первая критическая скорость охлаждения уменьшается от 80 до 0,033 К/с при изменении концентрации ниобия от 5,4 до 29,7% №. Равновесная структура была получена в сплавах, содержащих до 9,6% №, в сплавах с 13,4 - 18.1% № при скорости охлаждения равной 0,01 К/с образующиеся фазы являются неоднородными по химическому составу, в сплавах с 24-29,7% № при такой скорости охлаждения структура содержит метастабильные фазы мартенсит а" и ш-фазу. Увеличение концентрации ниобия приводит к снижению скорости охлаждения. при которой образуются максимально неоднородные по химическому составу фазы.

Твердость сплавов системы Т1-№ изменяется в соответствии с изменением фазового состава. При охлаждении со скоростью выше первой критической максимум твердости приходится на сплав с 13,4% №. в котором образуется наибольшее количество ш-фазы. Твердость сплавов, в которых образуется мартенсит ниже и наименьшей твердостью обладают сплавы, имеющие структуру механически нестабильной р-фазы. При снижении скорости охлаждения увеличение твердости сплавов наблюдается в интервалах скоростей охлаждения, в которых происходит образование фаз. неоднородных по химическому составу, и достигает наивысших значений при наибольшей степени неоднородности.

Глава IV. Влияние водорода на фазовый состав, структуру и свойства сплавов системы Т1-№.

Проведенные в главе 4 исследования показывают, что легирование водородом вызывает изменение фазового состава и структуры сплавов системы Т1-№. закаленных от температур р-области.

Установлено, что введение водорода приводит к увеличению стабильности {5-фазы к превращению в мартенсит а" и ш-фазу. Размеры мартенситных пластин с увеличением концентрации водорода

уменьшаются.

При введении в сплавы с 5,4 - 18,1% Nb более 10% водорода в сплавах обнаружено появление новой водородосодержащей фазы, неизвестной ранее в титановых сплавах, которую в работе условно обозначили Х-фазой. Ряд исследований, проведенных с применением методов высокотемпературного и низкотемпературного рентгеност-руктурного анализа позволил выявить природу этой фазы. *

Было показано, что образование Х-фазы сопровождается возникновением на дифрактограмме только одного максимума с d/n=0,182 -0,187 нм. Поэтому для выявления других линий, относящихся к Х-фазе был проведен сравнительный анализ изменения относительной интенсивности всех линий в процессе нагрева и охлаждения образца из сплава Tl-18,l%Nb-15%H. Установлено аномальное изменение интенсивности линий типа (020), (130) и (131) мартенсита а". Характер изменения интенсивности этих линий соответствует изменению интенсивности линии под углом 28=48-50°, в то время, как другие линии мартенсита а" не испытывают изменений. По этим линиям был проведен расчет кристаллогеометрии Х-фазы, который показал, что она имеет объемноцентрированную тетрагональную решетку с параметрами, близкими к а = 0.33 и с = 0,37 нм. Из этого следует, что линии Х-фазы, имеющие нулевой последний индекс, практически совпадают с линиями ß-фазы. В таком случае линии с межплоскостным расстоянием d/n = 0.244; 0,184; 0,143; 0.135 являются, соответственно, линиями типа (002), (101), (112), (211) ОЦТ-решетки, в которой с/а > 1.

Данные электронномикроскопического анализа сплава с 18,1% Nb и 15% H подтвердили проведенные рассуждения. На электроног-раммах наблюдаются рефлексы решеток ß-, а"- и Х-фаз. Показано, что кристаллические решетки ß- и Х-фаз когерентны между собой. Раздвоение рефлексов с ненулевым L-индексом и совпадение рефлексов ß- и Х-фаз с индексом L. равным нулю, доказывает тетра-гональность Х-фазы. На изображении, полученном методом электронной микроскопии выделения Х-фазы представляют собой чередующиеся с ß-фазой пластины. В зонах, прилегающих к Х-фазе наблю-

* Исследования проведены совместно с Поповым A.A. и Илларионовым А.Г.

даются области двойникованного мартенсита.

При определении параметров кристаллической решетки и отношения с/а Х-фазы в исследуемых сплавах показано, что на параметры Х-фазы определяющее влияние оказывает содержание в сплаве юбия. При увеличении концентрации ниобия отношение с/а Х-фазы уменьшается. Очевидно, это связано с тем. что Х-фаза представляет собой сложный гидрид (переходный между ЮН, имеющим ОЦН-решетку с небольшими ромбическими искажениями, и Т1Н2, имеющим ГЦК-решетку), в котором на один атом металла приходится один атом водорода.

Таким образом, Х-фаза представляет собой гидрид с ОЦТ-ре-шеткой и с/а = 1,1....1,2. Степень тетрагональное™ кристаллической решетки Х-фазы определяется содержанием ниобия в сплаве.

Результаты проведенных исследований были обобщены в виде диаграммы фазового состава закаленных сплавов системы Т1-Шэ-Н, приведенной на рис.1. На диаграмме обозначена большая область сплавов с содержанием ниобия от 5 до 22% и водорода свыше 5%, в которой при закалке образуется фаза X, являющаяся гидридом с ОЦТ-решеткой, промежуточным между Т1Н2 и №Н. А также показано, что водород смещает критические концентрации в сторону меньшего содержания ниобия, подавляет образование ш-фазы при введении его более 10% в сплавы, содержащие 13,4 - 18,1% 1№ и увеличивает стабильность р-фазы в сплавах, содержащих 20 - 24% ИЬ. При введении в эти сплавы более 10% Н их структура представлена однофазным р-твердым раствором.

При исследовании влияния скорости охлаждения на фазовый состав, структуру и свойства сплавов системы Т1-ЫЬ-Н построены диаграммы "фазовый состав - скорость охлаждения - содержание водорода" для различных сплавов системы Т1-Шэ и показано, что водород, подобно другим р-стабилизаторам уменьшает первую и вторую критические скорости охлаждения. Отличительной особенностью действия водорода является то, что при уменьшении скорости охлаждения область существования Х-фазы расширяется в сторону меньшего содержания водорода из-за образования химически неоднородных фаз. Сплавы, содержащие 24% №э и более при легировании их 10-15% водорода являются однофазными во всем исследованном в работе интервале скоростей охлаждении.

с «»,%

Рис. 1. Диаграмма фазового состава закаленных сплавов системы П-ИЬ-Н

Глава V. Влияние структуры на закономерности холодной

пластической деформации сплавов системы Т1-М1э-Н.

Водород, изменяя структуру сплавов системы Т1-Шз вызывает изменение и их механических свойств.

В закаленных образцах сплавов докритического состава с увеличением содержания водорода до 15% увеличивается объемная доля р-фазы, что приводит к снижению удельных усилий сжатия. Данные рентгеноструктурного анализа показывают, что при деформации в этих сплавах происходит р-а"-превращение. которое требует меньших напряжений по сравнению с переориентацией мартенсита в образцах с исходным содержанием водорода.

Структура закаленных образцов из сплавов докритического состава, содержащих свыше 15% водорода, представлена 0-фазой, мартенситом а" и Х-фазой. При сжатии этих образцов происходит резкое увеличение сопротивления деформации и снижение пластичности сплавов. На рентгенограммах образцов с 20-30% водорода, осаженных на предельную степень, исчезает максимум, соответствующий Х-фазе. зато возникают отражения, характерные для "у-фа-зы. гидрида титана с ГЦК кристаллической решеткой, появление которого приводит к сильному охрупчиванию сплавов. При этом интенсивность дифракционных максимумов, относящихся к р-фазе, уменьшается, однако некоторое количество р-фазы сохраняется. Такое изменение фазового состава может быть связано с развитием Х^+Р(а") превращения.

В сплавах критического и закритического состава легирование водородом подавляет образование ш-фазы, вследствие чего пластичность их увеличивается. В закаленных сплавах критического и закритического состава, в которых при введении водорода образуется Х-фаза, ее объемная доля при деформации уменьшается, а образования ГЦК гидрида не наблюдается. В сплавах, легированных водородом до 10%. при деформации с предельной степенью Х-фаза практически полностью исчезает. Можно предположить, что в данном случае Х-фаза при деформации переходит в 0-фазу без образования гидрида К- Возможность такого перехода объясняется

тем, что Х-фаза в сплавах с содержанием ниобия свыше 13,4% имеет с/а близкое к единице (1,11____1,10), в то время, как в малолегированных ниобием сплавах с/а составляет 1,20____1.16. По

этому показателю кристаллическая структура Х-фазы в сплавах, содержащих менее 13,4% №. ближе к структуре ГЦК гидрида К (в тетрагональных осях с/а =1,4), а в более легированных сплавах - к ОЦК структуре р-фазы (с/а =1).

В сплавах Т1 с 13,4 - 18,1% №э, легированных более, чем 20% водорода и имеющих трехфазную (а"+р+Х)-структуру как до, так и после деформации, при увеличении концентрации Н наблюдается незначительный рост удельных усилий сжатия и уменьшение пластичности. Очевидно, это связано с увеличением в структуре сплавов объемной доли Х-фазы.

Легирование водородом сплава Т1-24% №э увеличивает механическую и термическую стабильность р-фазы. При деформации сплавов с 24% Шэ, содержащих более 10% Н не происходит р-а"-превращения и процессы скольжения, протекающие в твердом растворе, имеющем высокосимметричную кристаллическую решетку р-фазы, требуют наименьших удельных усилий деформирования среди всех исследованных сплавов. Предельная степень деформации сплавов с 24% №, содержащих более 10% Н достигает 80% и ограничена не пластичностью образцов, а возможностями применяемого при исследованиях оборудования. Некоторое увеличение прочности сплава при введении более 25% Н объясняется твердорастворным упрочнением р-фазы водородом.

По результатам поведенных исследований построена диаграмма фазового состава сплавов системы П-ЛЬ-Н после деформации сжатием на предельную степень.

Показано, что водород изменяет условия протекания фазовых превращений при деформации закаленных сплавов системы ТШЬ и способствует развитию специфичных превращений, связанных с образованием или исчезновением гидридов.

При исследовании влияния скорости охлаждения от температур р-области на механические свойства сплавов показано, что снижение скорости охлаждения, приводящее к образованию неоднородных по химическому составу фаз увеличивает удельные усилия и уменьшает предельную степень деформации. Так, в сплаве с 18,1% Nb и

15%Н, происходит снижение предельной степени деформации от 64% в закаленном образце с (а"+р+Х)-структурой до 49% в образце, который при охлаждении со скоростью 0,01 К/с имеют (а"н+рн+Х)-структуру, представленную фазами, неоднородными по химическому составу.

Глава VI. Выбор состава сплавов с пониженным содержанием ниобия, дополнительно легированных водородом и технологии их обработки.

В процессе изготовления многожильные сверхпроводники подвергаются сильной пластической деформации, поэтому сплавы, используемые в качестве сверхпроводящих, должны обладать высокой деформируемостью.

Анализ результатов исследований, проведенных в предыдущих главах показал, что водород позволяет изменять структуру и свойства сплавов системы Т1-1№ таким образом, что сплавы с пониженным содержанием ниобия (18.1____24%), дополнительно легированные водородом до 10....20% являются достаточно пластичными для того, чтобы их можно было использовать для изготовления многожильных кабелей.

Для повышения токонесущих характеристик промышленных тита-но-ниобиевых сплавов после деформации их подвергают старению при температуре ниже температуры рекристаллизации, обеспечивающей совершенствование ячеистой субструктуры и выделение дисперсных частиц второй фазы, поэтому в главе VI было исследовано влияние старения на структуру сплавов системы Т1-№ с пониженным содержанием ниобия, дополнительно легированных водородом до концентраций, обеспечивающих сплавам достаточную пластичность, т.к. процессы рекристаллизации или рост частиц второй фазы, которые могут произойти при технологических нагревах или термической обработке, ухудшают токонесущие характеристики сплавов.

Результаты электронномикроскопического исследования холод-нокатанной фольги из сплава Т1-18.1%ЫЬ-20%Н (е=99.9%) показывают, что ее структура является многофазной и содержит помимо ^-однофазного твердого раствора частицы мартенсита а" и ш-фазы. которые препятствуют образованию ячеистой субструктуры при

пластической деформации и последующем старении.

Электронномикроскопический анализ холоднокатанной фольги из сплава Т1-21,5Шэ-15%Н (£=99.9%) показал, что кристаллическая. решетка р-фазы сильно искажена и содержит большое количество дефектов (дислокаций). Старение в течение времени выдержки до 30 часов при 300°С мало изменяет тонкую структуру и для ее преобразования при этой температуре, очевидно, требуются более длительные выдержки. При старении при 500°С, наоборот, процессы возврата и рекристаллизации проходят достаточно быстро, что препятствует формированию ячеистой структуры, которая необходима для получения высоких сверхпроводящих свойств. В ходе же

старения в интервале температур 350____ 400°С рекристаллизации

не происходит, формируется полигонизованная структура р-фазы.

Результаты рентгеноструктурного и электронномикроскопичес-кого анализа превращений, происходящих при старении холодноде-формированной фольги из сплава Т1-21.5Ш)-15%Н, представлены в виде С-образных кривых превращений р-твердого раствора в области температур 350____400°С при выдержке до 30 часов. Диаграмма

показывает, что после выдержек более 10 часов из р-твердого раствора выделяется а-фаза. Увеличение времени выдержки при 375° приводит к тому, что помимо выделения а-фазы происходит образование Х-фазы в структуре фольги. При 350 и 400°С этот процесс начинается при более длительных выдержках.

Очевидно, для достижения наибольших сверхпроводящих характеристик следует выбрать старение при температуре 375°С в течение 30 часов, т.к. при этом режиме происходит формирование по-лигонизованной структуры р-фазы, содержащей мелкодисперсные выделения вторых фаз.

При изучении сверхпроводящих характеристик измеряли критическую плотность тока при температуре жидкого гелия (4,2 К) в магнитных полях напряженностью до 4 Тл одножильных проволочных

образцов из сплавов, содержащих 9,6____24% №э, легированных до

20% водорода. Образцы находились в двух состояниях: закаленном от температур р-области и состаренном при температуре 375°С в течение 30 часов. Для сравнения, в тех же условиях были испытаны образцы промышленного сплава НТ50.

Показано, что наиболее высокими значениями критической

плотности тока, находящимися на уровне значений плотности тока промышленного сплава НТ50, обладают сплавы, содержащие

18,1—24% нь и легированные 10____20% Н после старения при

375° С в течение 30 часов. Однако, сплав, содержащий 18,1% N13. является нестабильным к технологическим нагревам. Поэтому, для изготовления сверхпроводников из сплавов с пониженным содержанием ниобия предложено ограничить содержание НЬ 20-24%. Эти сплавы хорошо деформируются вхолодную, обладают достаточной термической и механической стабильностью и высокими сверхпроводящими характеристиками. Для таких сплавов предлагается ввести в технологическую схему производства операцию наводораживающего отжига при температуре 650..... 700°С до концентрации 12____20% Н.

По предложенной схеме были изготовлены сверхпроводники из сплавов с пониженным содержанием ниобия, дополнительно легированные водородом. Результаты опытного опробывания их в ОКБ "Горизонт" показывают, что при сохранении сверхпроводящих свойств на уровне сплава НТ50 новые сплавы имеют приблизительно на 14 -17% меньшую плотность и содержат на И - 13% меньше дефицитного ниобия. Результаты опробования подтверждены соответствующим актом.

Выводы по работе.

1. Изучен фазовый состав, структура и свойства сплавов системы Т1-№Ь после охлаждения с различной скоростью. Установлено. что легирование титана ниобием приводит к уменьшению первой критической скорости охлаждения от 80 К/с для сплава И-5,4% N5 до 0,03 К/с для сплава Т1-29,7% N1). Вторая критическая скорость, охлаждение со скоростью ниже которой приводит к формированию равновесной структуры с увеличением содержания ниобия уменьшается от 0,1 К/с для сплава Т1-5.4% №э до 0,03 К/с для сплава Т1-9,6% №э. Для сплавов, более легированных ниобием эта скорость имеет значение ниже 0,01 К/с и в данной работе не была определена. При охлаждении со скоростями в интервале у1кр~угкр происходит образование фаз по промежуточному механиз-

му. включающему элементы как сдвигового, так и диффузионного превращения, в результате чего формируются фазы с неоднородным химическим составом. Максимальная степень дисперсности продуктов распада высокотемпературной р-фазы наблюдается в случае образования мартенсита с переменной степенью ромбического искажения кристаллической решетки.

Результаты исследований обобщены в виде диаграммы "фазовый состав - скорость охлаждения - содержание ниобия".

2. Исследовано влияние водорода на фазовый состав и структуру закаленных от температур р-области сплавов системы П-КЬ. Показано, что водород повышает стабильность высокотемпературной р-фазы к превращению в мартенсит и ш-фазу. В интервале концентраций ниобия от 5.4 до 18% при введении более 5% водорода в структуре сплавов образуется фаза X, которая представляет собой гидрид с ОЦТ кристаллической решеткой, имеющей отношение с/а = 1,1.... 1,2. Установлено, что граница (а"+р+ш)/р-областей при легировании водородом смещается от 28 до 20% №. Результаты исследования фазового состава сплавов системы Т1-№э, легированных водородом, обобщены в виде диаграммы "фазовый состав закаленных сплавов системы Т1-№-Н".

3. Установлено, что введение в сплавы системы Т1-№ водорода приводит к снижению критических скоростей охлаждения. В отличие от влияния увеличения концентрации ниобия на концентра-ционно-скоростные границы фазовых областей при охлаждении в интервале от у1кр до у2кр, легирование сплавов системы Т1-МЬ водородом способствует расширению области существования (а"+р+Х)-структуры. Результаты исследования влияния скорости охлаждения на фазовый состав наводороженных сплавов обобщены в виде диаграмм "фазовый состав - содержание водорода - скорость охлаждения" для различных сплавов системы Т1-№.

4. Установлены закономерности изменения фазового состава, структуры и механических свойств сплавов системы Т1-№Ь-Н при деформации сжатием при нормальной температуре. Показано, что водород способствует повышению механической стабильности р-фазы к р-а"-превращению при деформации. Это приводит к повышению предела текучести сплава, снижению усилий деформирования при степенях сжатия свыше 10% и повышению пластичности сплавов. В

сплавах системы Т1-Шэ-Н, содержащих от 5,4 до 13,4% Ш) и более 5% водорода, в которых после закалки содержится Х-фаза. наблюдается превращение Х~р(а")+Ч. с образованием гидрида с ГЦК кристаллической решеткой. Образование у-фазы вызывает увеличение усилий деформирования и резкое снижение пластичности сплава. В сплавах, содержащих свыше 13,4% ИЬ и до 20% Н Х-фаза при деформации частично или полностью превращается в р(а")-фазу. В результате этого пластичность сплавов со структурой • (а"+р+Х) остается на достаточно высоком уровне.

5. Исследовано влияние водорода и термической обработки на сверхпроводящие свойства сплавов системы И-Мэ-Н. Показано, что в сплавах, содержащих от 9,6 до 29,7% Шэ и легированных до 30% Н сохраняется при температуре жидкого гелия. Старение всех всех исследованных сплавов при температуре 375°С в течение 30 часов приводит к повышению значений критической плотности тока при равном уровне напряженности магнитного поля. Максимальные значения критической плотности тока наблюдаются у сплавов, содержащих от 18 до 24% и более 20% водорода.

6. Определена область составов сплавов системы Т1-НЬ-Н, которые могут быть использованы в качестве сверхпроводников. Показано, что сплавы, содержащие от 20 до 24% Ш и от 12 до 20% Н обладают высокими технологическими свойствами (высокой пластичностью, низкими значениями усилий деформирования, достаточной механической и термической стабильностью структуры и свойств) при сохранении сверхпроводящих характеристик на уровне промышленных сплавов, легированных 35-40% №э. Разработаны режимы наводороживающего отжига (1=650-700°С), позволяющего обрабатывать малолегированные ниобием сплавы по схеме получения многожильных сверхпроводников из промышленного сплава НТ50.

Технология прошла опытное опробование на ОКБ "Горизонт" при получении сверхпроводников из сплавов рекомендованных составов и показала хорошие результаты. При сохранении сверхпроводящих свойств на уровне сплава НТ50 новый сверхпроводник имеет на 14 - 17% меньший удельный вес и содержит на 11 - 13% меньше дефицитного ниобия. Результаты опробования подтверждены соответствующим актом.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих

работах:

1. Коллеров М. Ю., Агаркова Е.0., Новикова И. В. Исследование структурных превращений в холоднодеформированном листе из сплава Ti-35%Nb-0,3%Н при старении. В сб. тезисов Российской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии машиностроения". М.: МАТИ. 1992. с. 42.

2. Ильин А. А.. Долбинов Ю.А.. Агаркова Е.0. Фазовый состав,

• "уктура и свойства сверхпроводящих сплавов системы Ub-H. В кн. Диффузионно-кооперативные явления в системах металл-изотопы водорода. Донецк. 1992. ч.1. с.36-37.

3. Коллеров м. Ю.. Агаркова Е.0., Ландарь М.Г. Исследование влияния водорода на термическую и деформационную стабильность фазового состава и структуры сплавов системы Ti-Nb. Научно-технический семинар "Водород в металлических материалах" 16 декабря 1993. Тезисы докладов. М.: МАТИ, с. 36.

4. Коллеров М. Ю., Агаркова Е.0., Осинцева Н. 0. Фазовый состав и структура сверхпроводящего сплава Т1-35Ш), дополнительно легированного водородом. Тезисы докладов МНТК "XX Гагаринс-кие чтения. М.: МГАТУ. 1994. Ч.1. С. 24-25.

5. Агаркова Е. 0.. Мамонов С.А., Коллеров М. Ю.. Ландарь М.Г. Формирование структуры сплавов системы Ti-Nb при холодной пластической деформации. Тезисы докладов Российской научно-технической конференщ- :овые материалы и технологии". М. : МГАТУ. 1994. С. П.

6. Коллеров М.Ю., Агаркова Е.О.. Мамонов С.А., Осинцева Н.0. Фазовые и структурные превращения в сплавах системы Ti-Nb-H при термической обработке. Материалы второго научно-технического семинара "Водород в металлических материалах". М.: МГАТУ. 1994. С. 45-46.

7. Попов A.A., Ильин A.A.. Коллеров М.Ю., Илларионов А.Г., Агаркова Е.0. Влияние водорода на фазовый состав и структуру закаленных сплавов Ti-Nb. Металлы, 1994, N 5, с. 109-117.

8. Попов A.A., Ильин A.A., Демаков С.Л., Илларионов А.Г., Коллеров М.Ю.. Агаркова Е.О. О природе Х-фазы в сплавах системы Ti-Nb-H. Металлы, 1994, N 6.

9. Осинцева Н.О.. Агаркова Е.О. Влияние скорости охлаждения на фазовый состав, структуру и свойства сплавов системы Т1-№. Тезисы докладов МНТК "XXI Гагаринские чтения". М.: 1995. с. 56.

Основные положения диссертации доложены на:

1. Научных конференциях МГАТУ им. К.Э.Циолковского в 1992. 1993. 1994. 1995 ГГ.

2. Научно-технических семинарах "Водород в металлических материалах" в 1993 и 1994 гг.

3. На Российской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии", в 1994 г.