автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Закономерности формирования структуры и свойств холоднодеформированных полуфабрикатов из высокопрочных α + β-титановых сплавов в процессе термоводородной обработки

у -у

„ «пТ?

>3 0 Ь*

На правах рукописи УДК 669.295-788:620.181

АСПИРАНТ Крастилевский Александр Александрович

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ и свойств ХОЛОДНОДЕФОРМИРОВАННЫХ ПОЛУФАБРИКАТОВ ИЗ ВЫСОКОПРОЧНЫХ а+р-ШГАПОВЫХ СПЛАВОВ В ПРОЦЕССЕ ТЕРМОВОДОРОДНОЙ ОБРАБОТКИ

Специальность 05.16.01. — Металловедение и термическая обработка

металлов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1997

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

Научный руководитель: — профессор, доктор технических наук

Ильнн Александр Анатольевич

Официальные оппоненты: — доктор технических наук

Бецофен Сергей Яковлевич (ИМЕТ им.А.А.Байкова РАН) — доцент, кандидат технических наук Петров Леонид Михайлович (НИАТ)

Ведущее предприятие указано в решении Ученого Совета.

Зашита диссертации состоится 29 апреля 1997 года в 14 часов на заседании диссертационного Совета К 063.56.04 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в области металловедения и обработки металлов давлением в Московском государственном авиационном технологическом университете им. К.Э.Циолковского по адресу: Москва, ул.Оршанская, 3, МГАТУ им.К.Э.Циолковского. Отзыв на автореферат в одном экземпляре (заверенный печатью) просим направлять по адресу: 103767, Москва, К-31, ул.Петровка, 27, МГАТУ им.К.Э.Циолковского.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Университета.

Автореферат разослан 28 марта 1997 года.

Ученый секретарь диссертационного Совета доцент, кандидат технических наук В.С.Соколов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Титановые сплавы являются одними из наиболее перспективных материалов, обеспечивающих прогресс авиационной и космической техники," транспортного и энергетического машиностроения, ряда отраслей химической

промышленности и медицины, благодаря сочетанию высокой удельной прочности и жаропрочности, коррозионной стойкости и других свойств, которые обеспечивают высокую надежность при эксплуатации изделий. Это в полной мере относится к высокопрочным а+Р-сплавам, таким, как ВТ22И. ВТ23. "П-10-2-3 и др.. обладающим наиболее сбалансированным комплексом прочностных, пластических и эксплуатационных свойств.

Технология получения деформированных полуфабрикатов из высокопрочных а+Р-титановых сплавов основана на использовании горячей деформации. Она достаточно сложна и трудоемка, что приводит к высокой стоимости изделий. Применение более экономичной технологии, основанной на холодной деформации, ограничено или вовсе исключено вследствие низкой технологической пластичности сплавов при нормальной температуре. Это сильно сокращает номенклатуру полуфабрикатов и изделий, получаемых из высокопрочных титановых сплавов, в частности, листовой прокаткой или штамповкой.

Одним из новых, перспективных подходов к решению этой проблемы является применение водородной технологии, основанной на обратимом легирование водородом. В ряде последних работ, проведенных в Московском Государственном авиационном технологическом университете, было показано, что водородное пластифицирование может быть эффективно использовано при холодной деформации высокопрочных титановых сплавов, что дает возможность, в частности, осуществлять прокатку тонких листов и фольги из сплава ВТ22И. Очевидно, что технико-экономическая эффективность водородного легирования может быть значительно увеличена, если использовать водород не только для повышения технологической пластичности, но и для формирования в полуфабрикатах и изделиях оптимального структурного состояния, которое обеспечит наилучшее сочетание физико-механических и эксплуатационных свойств. Однако до настоящего времени не изучены особенности формирования структуры водородосодержаших высокопрочных

а+р-сплавов при холодной пластической деформации в сочетании с термической обработкой. не исследована динамика изменения физико-механических и технологических свойств на различных этапах изготовления полуфабрикатов. В то же время управление этими факторами позволит создать комплексные эффективные технологические процессы, использующие эффекты водородного пластифицирования и термоводородной обработки и позволяющие получать холодной прокаткой высокопрочных титановых сплавов тонколистовые полуфабрикаты и фольгу с высоким комплексом механических и эксплуатационных свойств.

Целью настоящей работы является исследование влияния водорода на закономерности формирования фазового состава, структуры, текстуры и механических свойств высокопрочных титановых сплавов ВТ22И и Т1-10-2-3 при холодной пластической деформации и термической обработке и разработка на этой основе технологии термоводородной обработки листовых полуфабрикатов и фольги с высоким комплексом механических свойств.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

1. Исследовать влияние температуры нагрева и скорости охлаждения при высокотемпературной термической обработке и режимов старения на фазовый состав, структуру и свойства сплавов;

2. Установить закономерности влияния водорода на фазовые и структурные превращения и изменение свойств сплавов при высокотемпературной обработке и старении;

3. Исследовать влияние водорода на механизм пластической деформации и формирование структуры и текстуры листовых полуфабрикатов при холодной прокатке;

4. Изучить влияние термической обработки в воздушной атмосфере и в вакууме на структуру и свойства холоднокатаных листов;

5. Разработать технологические схемы и параметры термоводородной обработки листовых полуфабрикатов и фольги из высокопрочных титановых сплавов.

Научная новизна.

I. Установлены закономерности влияния дополнительного легирования водородом, температуры нагрева и скорости охлаждения при высокотемпературной термической обработке на фазовый состав, структуру и свойства высокопрочных титановых спла-

bob ВТ22И и Ti-10-2-3. Построены диаграммы "Фазовый состав — Температура нагрева — Скорость охлаждения" и "Фазовый состав— Концентрация водорода — Скорость охлаждения" для этих сплавов. Определена скорость охлаждения (vj). при которой достигается максимальная химическая неоднородность 0-фазы и продуктов

ее атермического распада и наибольшее упрочнение сплавов.

2. Показано, что максимальное упрочнение сплавов ВТ22И и Ti-IO-2-З. легированных водородом, при старении происходит в том случае, когда скорость охлаждения при высокотемпературной обработке, предшествующей старению, выше скорости п. Установлено, что легирование водородом снижает температуру минимальной стабильности Р-фазы и увеличивает время старения до начала ее распада и достижения равновесной а+Р-структуры. Построены диаграммы "Фазовый состав — Температура — Время старения" для сплавов с различным содержанием водорода.

3. Показано, что при холодной прокатке водородосодержащих сплавов ВТ22М и Ti-10-2-3 с механически стабильной Р-фазой формируется двухкомпонентная текстура {111} <110> +{111}<211>, интенсивность которой возрастает с увеличением степени холодной деформации (степени обжатия).

4. Построены диаграммы "Структура — Температура нагрева — Время старения", описывающие температурно-временные условия полигонизации. рекристаллизации и

распада водородосодержашей Р-фазы в холоднокатаных листах из сплавов ВТ22И и Ti-10-2-3, легированных водородом. Диаграммы позволяют проводить выбор режимов термической обработки для формирования оптимальной структуры листов перед последующими операциями пластической деформации (штамповка, вырубка и т.л.) или вакуумного отжига.

Практическая значимость.

I. Определены оптимальные концентрации водорода, составляющие 0.3° о 1 для сплава ВТ22И и 0.35°о для сплава Ti-lO-2-З. обеспечивающие высокую технологическую пластичность при холодной прокатке листов, и температурно-временные режимы на-водороживаюшего отжига исходных сутунок.

1 Здесь и далее по тексту концентрация водорода и легирующих печешов приведена в пронспlax по массе.

2. Разработаны режимы рекрнсталлизационного отжига холоднокатаных листов из сплавов ВТ22И и Ti-IO-2-З, легированных водородом, включающего нагрев до температуры 600°С для сплава ВТ22И и 580°С для сплава Ti-10-2-3. выдержку соответственно в течении 3 и 1 часа, что обеспечивает оптимальное состояние структуры перед заключительным вакуумным отжигом.

3. Разработаны режимы вакуумного отжига и последующего старения листов и фольги из сплавов ВТ22И и Ti-10-2-3, обеспечивающие максимальное упрочнение изделий в сочетании с удовлетворительной пластичностью и включающие нагрев в вакууме до температур 800 или 770°С (ВТ22И) и 780 или 750°С (Ti-10-2-3). выдержку в течение I часа и старение при температуре 450°С в течение 10 часов (ВТ22И) и 8 часов (Ti-10-2-3).

4. Разработаны технологические процессы изготовления листовых полуфабрикатов и фольги из высокопрочных титановых сплавов ВТ22И и Ti-10-2-3, основанные на сочетании холодной прокатки и термоводородной обработки и позволяющие получать изделия с высоким качеством поверхности, уровнем прочности Ов=1320 - 1350 МПа (ВТ22И) и ов=1280 - 1350 МПа (Ti-10-2-3) при удовлетворительной пластичности (5 =5.1-5,3%, ч>=20-28% для сплава ВТ22И; 6=5,1-6.4°о. v=20-23° o для сплава Ti-10-2-3). Технология успешно опробована в ГНЦ ВИАМ в 1996 году.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены на 14 научно-технических конференциях и семинарах, в том числе и на международных.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 12 работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе, списка использованной литературы из I0S наименований и приложения. Изложена на 126 страницах машинописного текста, содержит 80 рисунков и 4 таблицы.

Диссертационная работа выполнена при научной консультации доцента, к.т.н. Коллерова М.Ю.

Глава I. Состояние вопроса.

В главе проанализированы данные о формировании фазового состава, структуры и свойств высокопрочных титановых сплавов при термической обработке, обработке, совмещенной с дополнительным легированием водородом, и пластической деформации. Приведены данные о механизмах пластической деформации, текстурооб-разовании и влиянии различных факторов на деформируемость титановых сплавов. Рассмотрены механизмы и кинетика фазовых и структурных превращений при высокотемпературной и низкотемпературной обработке а+Р-сплавов. Показано, что использование дополнительного легирования водородом значительно расширяет возможности управления структурой, технологическими и эксплуатационными свойствами сплавов.

Согласно литературным данным, а+р-титановые сплавы мартенситного и переходного классов (ВТ22. ВТ23, ТМО-2-3 и др.) имеют высокую удельную прочность и могут успешно конкурировать со сталями и алюминиевыми сплавами в ряде конструкций авиационной, космической и других областях техники. Однако их технологическая пластичность при нормальной температуре низка и не позволяет применять экономически эффективные технологии холодной листовой прокатки, штамповки и т.д.. что существенно сокращает номенклатуру выпускаемых изделий из этих сплавов.

Приведены примеры повышения технологических и эксплуатационных свойств различных 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. Отмечено, что в литературе практически отсутствуют данные о влиянии водородного легирования на технологическую пластичность высокопрочных титановых сплавов при нормальной температуре.

Не исследованы закономерности формирования структуры, фазового состава и механических свойств этих сплавов в процессе 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 0 20+15 мм сплавов ВТ22И и ТМ0-2-3 с рекристаллизованной а+Р-структурой. Химический состав исследуемых сплавов приведен в Таблице I.

Насыщение водородом до0.5°о осуществляли в установке Сивертса в среде высокочистого водорода при температурах 650-800°С с последующим охлаждением со скоростями 0.4 и 0.03 К/с.

Таблица 1.

Химический состав исследуемых сплавов.

Сплав Основные химические элементы, масс. ° о Примеси, масс. °о

Ti А1 Мо V Сг Fe С N О Н

ВТ22И основа 2,86 4.80 4,85 0.84 1,00 0.10 0,05 0,15 0,004

Ti-10-2-3 основа 3,90 — 10.00 — 2,64 0,12 0,04 0,14 0,004

Количество поглощенного водорода определяли по изменению его 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 высокотемпературной термической обработки варьировали от 180 до 0,03 К/с, используя различные охлаждающие среды и спреерное устройство.

Рентгеноструктурные исследования проводили на дифрактометре ДРОН-4.07 в фильтрованном Кд 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 (5-фазы.

Металлографический анализ проводили на оптическом микроскопе "NEOPHOT-30" при увеличениях до 500 крат. Кроме того, структуру образцов изуча-

ли с помощью просвечивающего электронного микроскопа ЭМ-125К на фольгах при увеличениях до 50000 крат.

Прокатку листов и фольги 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 Ео=2.4»10-2с-'. Испытания на растяжение осуществляли на универсальной испытательной машине FP-I00, усилием 100 кН. при нормальной температуре, с начальной скоростью деформации Ео=1.4»10 ",с |. Механические свойства: временное сопротивление разрыву (ав), условный предел текучести (ао.:). относительное удлинение (5) и относительное сужение (ф) определяли согласно с ГОСТ 1497-73.

Полученные в исследованиях экспериментальные результаты были обработаны методами математической статистики.

Глава III. Влияние термической обработки и дополнительного легирования водородом на фазовый состав, структуру и свойства высокопрочных титановых сплавов ВТ22И и Ti-lO-2-З.

Глава посвящена изучению процессов формирования фазового состава и структуры сплавов при высокотемпературной и низкотемпературной термической обработке (старении), а также влиянию на них дополнительного легирования водородом Приведены экспериментальные результаты по влиянию температуры нагрева в ß- и (а+Р)-областях и скорости последующего охлаждения на фазовый состав, структурч и твердость сплавов. На основе анализа микроструктуры, температурно-скоростных ia-висимостей периодов кристаллических решеток, полуширины дифракционных максимумов ß-, а- и а"-фаз. рассчитанных по данным рентгеноструктурного анализа, изменения твердости сплавов установлены температуры Ac.i. критические скорости охлаждения сплавов. По результатам исследований построены диаграммы "Фазовый состав — Температура нагрева — Скорость охлаждения" сплавов и проведен их анализ (Рис. I). При охлаждении сплавов от температур ß-областн со скоростями выше первой критической (v"itpi = l2 К/с для сплава ВТ22И и 14 К/с для Ti-IO-2-З) в них форми-

руется (3+а"-структура. Понижение скорости охлаждения приводит к смене бездиффузионного механизма превращения высокотемпературной Р-фазы промежуточным и формированию структур с неоднородным химическим составом Р-фазы и продуктов ее распада (а«- или а"ц-фаз). При скоростях охлаждения ниже второй критической Р^а-превращение контролируется диффузионным механизмом, и формируется аР+рР-структура с составом фаз. близким к равновесному. В сплаве ВТ22И составила 0,06 К/с. в сплаве "Л-10-2-3 — 0.09 К/с.

При температурах нагрева ниже Асз (850°С для сплава ВТ22И и 840°С для Т1-10-2-3) в структуре сплавов присутствует первичная а-фаза. Установлено, что наличие межфазных а/Р-границ, сохранение достаточно высокой плотности дефектов кристаллической решетки Р-фазы повышает ее склонность к распаду и приводит к увеличению первой критической скорости охлаждения в интервале температур нагрева Асз—40+60°С. При более низких температурах нагрева обогащение Р-фазы Р-

стабилизаторами (повышение ее

1.С

840

780

720

ар+Рр + Рн "+ Р„

а к Ц+а"+(Зм

+" / а 1У Рн

а+Рм

Ас,

0,01

0,1

1

10

>•, К/С

Рис. 1, Диаграмма "Фазовый состав — Температура нагрева — Скорость охлаждения" сплава ВТ22И.

термодинамической стабильности) приводит к снижению критических скоростей охлаждения. На основе анализа особенностей структуры, формирующейся по промежуточному механизму, и изменение твердости была установлена скорость охлаждения Уз, при которой достигаются максимальная неоднородность химического состава фаз и дисперсность продуктов распада Р-фазы, что приводит к

наибольшему уровню межфазных напряжений и максимальной твердости сплавов. По результатам измерения твердости образцов, охлажденных из р- и (ос+Р)-областей с различными скоростями, построены номограммы линий равной твердости для обоих

сплавов. Показано, что максимальная твердость сплавов достигается при охлаждении со скоростью уз от температур (а+Р)-области вблизи Асз (810 и 780°С — 38 и 36 ед. ШС соответственно для ВТ22И и 11-10-2-3).

Исследованы процессы изотермического распада Р-фазы при старении в интервале температур 450-600°С в сплавах, закаленных из Р-области, а также охлажденных из Р- и (а+р)-областей со скоростью Уз. Построены диаграммы "Фазовый состав — Температура — Время старения". Установлено, что минимальная стабильность р-фазы, зафиксированной закалкой из Р-области, и наименьшее время старения до достижения равновесной а+Р-структуры наблюдаются при температурах 550°С. Показано, что распад Р-фазы при температурах старения от 450 до 550°С начинается с выделения а"и-фазы с неоднородным химическим составом, степень ромбического искажения ее решетки непрерывно уменьшается в процессе изотермической выдержки. Распад Р-фазы при температурах 600°С (ВТ22И) и 550-600°С (Ть 10-2-3) начинается с выделения ан-фазы. Установлено, что наибольшее упрочнение и минимальное время его достижения наблюдаются у обоих сплавов при температуре старения 550°С. Исследование процессов старения сплавов, охлажденных из р-области со скоростью, близкой к Уз, показали, что наличие в исходной структуре неоднородных по химическому составу фаз и мелкодисперсных выделений а"н-фазы приводит к более интенсивной кинетике протекания процессов распада при всех температурах старения так. в сплаве ВТ22И, при температуре 550°С. соответствующей минимальной устойчивости р-фазы, время начала распада ри-фазы и достижения равновесной структуры сокращается примерно в 2 раза, по сравнению со сплавом, закаленным из р-области. Еще более интенсивно процессы распада протекают в структуре образцов, охлажденных со скоростью уз из (а+Р)-области (от температур 810°С для сплава ВТ22И и 7X0°С зля сплава Т1-10-2-3) и имеющих максимальную степень неоднородности химического состава фаз и мелкодисперсную первичную а-фазу. В результате старения таких образцов формируется наиболее дисперсная равновесная а+Р-структура и достигается максимальный уровень твердости (48 ед. ИГ^С для сплава ВТ22И и 46 ед. НЯС для ТИО-2-3) за минимальное время выдержки (1500 с при 550°С). Построены номограммы ли-

ний равной твердости, позволяющие выбирать температуру нагрева и скорость охлаждения при высокотемпературной термической обработке сплавов, обеспечивающие заданный уровень твердости при последующем старении.

Исследовано влияние водорода на формирование структуры и фазового состава сплавов ВТ22И и ТИО-2-3 при термической обработке. Методами рентгенострук-турного и металлографического анализов образцов, закаленных с различных температур, установлено, что легирование водородом приводит к снижению температуры Асз. так что при Сн=0.3% она составляет 620°С для обоих сплавов. Исследование структуры и фазового состава сплавов, охлажденных из р-области с различными скоростями, показало, что увеличение термодинамической стабильности р-фазы при легировании водородом приводит к резкому снижению критических скоростей охлаждения. Так при Сн=0.3°о У°Кр| в сплаве ВТ22И составляет около 0.06 К/с, в сплаве ТМ0-2-3 — 0,03 К/с. По результатам исследований построены диаграммы "Фазовый состав — Концентрация водорода — Скорость охлаждения" для обоих сплавов. Показано. что при концентрации водорода более 0,15° о мартенситное превращение Р-фазы подавляется, и при охлаждении из р-области со скоростями выше У°кр1 в сплавах формируется однофазная р-структура. При непрерывном охлаждении сплавов из Р-области даже с минимальными исследованными скоростями (~0,02 К/с) не удается достичь равновесного состава а- и Р-фаз уже при содержании водорода 0,1° о. Условия формирования структуры с неоднородным химическим составом фаз при легировании водородом смещаются в сторону более низких скоростей охлаждения.

Исследованы процессы изотермического распада водородосодержащей Р-фазы при старении сплавов ВТ22И и Та-10-2-3, легированных 0,2 и 0,3% водорода и имеющих исходную однофазную ^-структуру. Построены диаграммы "Фазовый состав — Температура — Время старения" для этих сплавов. Показано, что повышение стабильности р-фазы при легировании водородом приводит к резкому замедлению процессов ее распада и снижению температуры ее минимальной устойчивости, которая составила для обоих сплавов с 0,2 и 0,3° о водорода 450°С. Минимальное время достижения равновесной а+Р-структуры (-2-104 с) наблюдается при температуре старения 400°С при содержании водорода 0,2° о. Максимальное упрочнение сплава ВТ22И с 12

0.2°о водорода (46 ед. НЯС) достигается в процессе старения при температур« 450°С в течение 5»104 секунд. Установлено, что введение водорода в сплав ТИ0-2-3 в большей степени стабилизирует р-фазу, чем в сплаве ВТ22И. поэтому темлературно-временные границы изотермического распада Р-фазы в водородосодержаших сплавах ВТ22П и Т|-10-2-3 практически совпадают.

Глава ГУ. Влияние водорода на формирование структуры и текстуры при холодной деформации и последующей термической обработке высокопрочных титановых сплавов.

В главе приведены результаты исследования влияния водорода и исходного структурного состояния сплавов ВТ22И и ТИ0-2-3 на механизм холодной пластической деформации при растяжении, сжатии и прокатке, изменение механических свойств и усилий деформирования, а также структуры и текстуры образцов. Установлено, что пластическая деформация при малых степенях в закаленных сплавах с исходным содержанием водорода происходит по механизму мартенситного роа" превращения, а при степени деформации свыше 3-5° о — по механизму скольжения дислокаций, которое сопровождается повышением концентрации дефектов кристаллического строения и накоплением микронапряженнй. что приводит к низкой пластичности и резкому росту деформирующих усилий. В закаленных сплавах, легированных свыше 0,3% водорода, образование мартенсита в процессе деформации не происходит. Формоизменение контролируется механизмом скольжения в однофазной Р-структуре, а накопление дефектов кристаллического строения наблюдается при степенях деформации свыше 50° о. что обусловливает высокую пластичность и низкие усилия деформирования. Показано, что для достижения максимальной пластичности сплавов при холодной деформации их необходимо легировать не менее 0.3° о водорода для сплава ВТ22И и 0,35% водорода для сплава Т<-10-2-3, что обеспечивает не только высокую механическую, но и термическую стабильность Р-фазы. Обоснованы оптимальные температуры наводороживаюшего отжига (820-800°С). обеспечивающие формирование нужной структуры и исключающие рост Р-зерна.

Исцелованы процессы формирования структуры, текстуры и свойств сплавов ВТ22И и Ti-iO-2-З при холодной прокатке листов. Исходные прутки сплава ВТ22И с 0.3"о водорода после предварительной деформации при 700°С и отжига при 650°С с последующим охлаждением со скоростями 70 и 0,03 К/с имели структуру с рекристал-лизованной Р-фазой или а+Р-структурой с малым количеством а-фазы, соответственно. Для сравнения проводили листовую прокатку заготовок с исходным содержанием водорода, полученных предварительной горячей деформацией при 800°С и отжига при 750"С. с охлаждением со скоростями 70 и 0,03 К/с. в результате чего была получена а+Р-структура с механически стабильной Р-фазой. Установлено, что в процессе прокатки наводороженных заготовок в них формируется двухкомпонентная текстура Р-фазы с преимущественной ориентацией кристаллографических плоскостей {111} параллельно плоскости прокатки, ориентированных направлениями <110> и <211> в направлении прокатки. Интенсивность этой текстуры в листах непрерывно возрастает с увеличением степени деформации до 75%, которая достигается в листах толщиной I мм. Деформация в этом случае развивается в одной, наиболее благоприятной системе скольжения. Накопление дефектов кристаллического строения и деформационное упрочнение происходит при степенях деформации около 100? о, реализуемых при прокатке фольги. В этом случае скольжение развивается и в других системах, и формируется многокомпонентная текстура. Электронномикроскопические исследования полученных фольг толщиной 0,12 мм (Ti-10-2-3) и 0,15 мм (ВТ22И) показали, что в них формируется типичная ячеистая структура с очень малыми размерами ячеек и высокой плотностью дислокаций в их стенках.

Установлено, что в листах с двухфазной a+p-структурой наибольшая интенсивность текстуры наблюдается при степенях деформации 40-50° о и при дальнейшей прокатке формируется более сложная многокомпонентная текстура.

При прокатке заготовок с исходным содержанием водорода, охлажденных со скоростью 70 К/с при степени деформации более 40° о (15-20° о за один проход) происходит образование трещин. В листах формируется многокомпонентная текстура ¡211)<111> + (100)<110>, интенсивность которой повышается до 40° о деформации. В этом случае благоприятные системы скольжения блокируются выделениями а-фазы и, вследствие затрудненности процессов переползания дислокаций, задействуются менее 14

благоприятные системы скольжения. Интенсивное деформационное упрочнение сплавов наблюдается уже при малых (до 40"и) степенях деформации. Заготовки, охлажденные со скоростью 0,03 К/с, разрушались уже на втором проходе прокатки.

Таким образом, заготовки из высокопрочных титановых сплавов ВТ22И и Т1-10-2-3, легированные 0,3 и 0.35" и водорода, были прокатаны при нормальной температуре со степенями деформации более 80° о без проведения промежуточных отжигов и были получены листы толщиной до I мм и фольга толщиной 0,15 и 0.12 мм.

Исследовано изменение структуры и свойств холоднокатаных листов из сплавов ВТ22И и Т1-10-2-3 при последующей термической обработке в воздушной атмосфере (старении). Установлены температурно-временные интервалы протекания процессов полигонизации, рекристаллизации и распада водородосодержащей р-фазы и

соответствующие изменения твердости. Результаты исследований обобщены в виде диаграмм фазовых и структурных превращений при старении (Рис. 2). Построенные диаграммы имеют важное практическое значение для выбора режимов термической обработки листов, обеспечивающих благоприятное структурное состояние перед операциями штамповки, вырубки и т.д. или перед проведением заключительного вакуумного отжига с целью получения наилучшего сочетания механических свойств.

Глава V. Разработка технологии термоводородной обработки холоднокатаных листов из высокопрочных титановых сплавов.

В главе приведены экспериментальные результаты по влиянию температуры вакуумного отжига холоднокатаных листов из сплавов ВТ22И и Т1-10-2-3 на их структуру и твердость. Установлено, что после вакуумного отжига при температурах от 600

с, °С 600 450 300 150

1 "Ч 0Р Ас1

1\Рп IV«

Рл Рп+а

Рл+а

100 1000 10000 100000 т, с

Рис. 2. Диаграмма фазовых и структурных превращений при старении холоднокатаных листов из сплава Л-10-2-3. легированного 0,35°/о водорода.

до 800°С в течение соответственно от 5 часов до 40 минут происходит удаление водорода до концентраций менее 0,008° о и формируется а+Р-структура, в которой Р-фаза частично рекристаллизована, а выделения а-фазы образуют строчечную структуру с ориентировкой геометрической текстуры листов. Эта структура близка к равновесной, обеспечивает невысокую твердость (32-35 ед. HRC) и практически не дает упрочнения при последующем старении.

На основе анализа результатов, полученных в Гл. III-IV, обоснована необходимость проведения перед вакуумным отжигом рекристаллизационного отжига листов. Это позволяет сформировать структуру с рекристаллизованной Р-фазой, снизить критические скорости охлаждения, создав условия, при которых скорость охлаждения после вакуумного отжига с печью (1Ю*0,4 К/с) от температур (а+Р)-области вблизи Асз будет равна или несколько выше скорости 1'з. Установлены оптимальные параметры рекристаллизационного отжига: 600°С. 3 часа для сплава ВТ22И и 580°С, I час для сплава Ti-10-2-3. Показано, что проведение такого отжига и последующего вакуумного отжига при температурах 700-800°С позволяет достичь высокой твердости листов и обеспечивает возможность дальнейшего упрочнения при старении. Максимальное упрочнение наблюдается после старения при температуре 450°С в течение 710 часов для обоих сплавов. Эффект упрочнения при старении сплава ВТ22И возрастает с увеличением температуры вакуумного отжига до 770°С, а при 800°С снижается. Однако уровень твердости максимален (43 ед. HRC) в последнем случае. Для сплава Ti-10-2-3 получены аналогичные результаты при температурах вакуумного отжига 750 и 780°С. соответственно.

На основе проведенных исследований разработана и опробована технологическая схема получения и обработки тонких листов и фольги из сплавов ВТ22И и Ti-10-2-3, основанная на сочетании холодной прокатки и термоводородной обработки. Она включает следующие основные операции: выплавка слитков: вырезка сутунок: наводороживаюший отжиг сутунок (ВТ22И — 0,3" л водорода, 820°С: Ti-10-2-3 — 0.35 "о водорода, 800°С): горячая прокатка сутунок до 2,2-2,3 мм при 700-600°С; отжиг листов при 650°С в течение 1 часа: холодная прокатка листов до 1 мм. фольги до 0,120.15 мм; рекристаллизационный отжиг (ВТ22И — 600°С, 3 часа: Ti-10-2-3 — 580°С, I

час); вакуумный отжиг (ВТ22И — 770°С, I час; ТМО-2-3 — 750"С, I час) и старение (ВТ22И — 450°С, К) час; "Л-10-2-3 — 450°С, X час) или вакуумный отжиг (ВТ22И — 800°С, 40 мин; ТМО-2-3 — 780°С. 40 мин). По этой технологии в ГНЦ ВИАМ была изготовлена опытная партия листов размерами 330*250x1 мм с высоким качеством поверхности, а также фольга толщиной 0,15 мм (ВТ22И) и 0,12 мм (ТМО-2-3). Для определения механических свойств из листов, обработанных по различным режимам, были изготовлены образцы и испытаны на растяжение. Результаты испытаний приведены в Таблице 2.

Таблица 2.

Механические свойства листов из сплавов ВТ22И и Ti-10-2-3.

Сплав Вил обработки Содержание водорода, % Механические свойства

со з. МПа ав.МПа 8. "о V," о

ВТ22И Холодная прокатка 0,3 830 870 6.2 21

Рекристаллизационный отжиг (P.O.): 600°С, 3 ч 0,3 560 750 13,4 50

P.O. + вакуумный отжиг (В.О.): 770°С 0,007 840 920 8,8 32

P.O. + В.О.: 800°С, 40 минут 0,006 1270 1320 5.1 20

P.O. + В.О.: 770°С, 1час -(-Старение (Ст.): 450°С. 10 часов 0,007 1290 1350 5,3 28

Ti-10-2-3 Холодная прокатка 0,35 890 920 5.8 19

P.O.: 550°С, I час 0.35 710 830 12.3 49

P.O. + В.О.: 750°С, 1 час 0,007 790 840 12.0 44

P.O. + В.О.: 780°С, 40минут 0,005 1250 1280 6,4 23

P.O. + В.О.: 750°С, 1час + Ст.: 450°С, 8 часов 0,007 1310 1350 5,1 20

Проведение рекристаллизационного отжига холоднокатаных водородосодер-жащих листов обеспечивает их высокую пластичность при нормальной температуре и возможность проведения операций холодной штамповки, вырубки, отбортовки и т.д. для получения различных изделий.

При температуре вакуумного отжига 800°С для сплава ВТ22И и 780°С для ТМО-2-3 последующее старение дает незначительный прирост прочности листов, поэтому при обработке на максимальную прочность проведение старения с экономической точки зрения нецелесообразно. В том случае, если изделия из листов и фольги должны кроме максимальной прочности обладать более высокой пластичностью, необходимо проводить вакуумный отжиг при температурах 770°С (ВТ22И) и 750°С ("П-10-2-3) и последующее старение (на воздухе или в вакууме) при температуре 450°С.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Установлены закономерности влияния дополнительного легирования водородом. температуры нагрева и скорости охлаждения при высокотемпературной термической обработке на фазовый состав, структуру и свойства высокопрочных титановых сплавов ВТ22И и "П-10-2-3. Построены диаграммы "Фазовый состав — Температура нагрева — Скорость охлаждения" и "Фазовый состав— Концентрация водорода — Скорость охлаждения" для этих сплавов. Определена скорость охлаждения (Уз), при которой достигается максимальная химическая неоднородность Р-фазы и продуктов ее атермического распада и наибольшее упрочнение сплавов. Установлена зависимость этой скорости от температуры нагрева и содержания водорода в сплаве.

2. Установлены закономерности формирования фазового состава, структуры и свойств сплавов ВТ22И и Т1-10-2-3. легированных водородом, при старении. Показано, что максимальное упрочнение сплавов при старении происходит в том случае, когда скорость охлаждения при высокотемпературной обработке, предшествующей старению, выше уз. Установлено, что легирование водородом снижает температуру минимальной стабильности Р-фазы и увеличивает время старения до начала ее распада и достижения равновесной а+Р-структуры. Построены диаграммы "Фазовый состав — Температура — Время старения" для сплавов с различным содержанием водорода.

3. Показано, что с увеличением содержания водорода в закаленных сплавах повышается стабильность р-фазы к мартенситному превращению при деформации и превалирующим становится механизм скольжения дислокаций. Развитие скольжения в 18

однофазной Р-структуре способствует снижению усилий деформирования и повышению пластичности при нормальной температуре. При охлаждении от температур р-области со скоростью 0,03 К/с (с печью) в образцах с содержанием водорода 0.1 — 0,15° о формируется мелкодисперсная структура, характерная для охлаждения со скоростью \'з, что вызывает упрочнение образцов и снижение их пластичности. Для образцов, легированных свыше 0,3"о водорода, скорость охлаждения 0,03 К/с превышает И^сри что обеспечивает их высокую пластичность.

4. Исследовано влияние термоводородной обработки на структуру и текстуру холоднокатаных листов и фольги из сплавов ВТ22И и Ть 10-2-3. Показано, что наибольшая пластичность при холодной прокатке достигается в листах с однофазной механически стабильной Р-структурой, сформированной в результате термоводородной обработки. При этом интенсивность двухкомпонентной текстуры ¡1!1)<110> + {111}<211> непрерывно возрастает и достигает максимума при увеличении степени деформации до 75%. В листах с двухфазной а+р-структурой наибольшая интенсивность этой текстуры р-фазы наблюдается при меньших степенях степенях деформации (40 - 50°/о), и при дальнейшей прокатке формируется сложная многокомпонентная текстура за счет реализации скольжения в других системах.

5. Построены диаграммы "Структура — Температура нагрева — Время старения", описывающие температурно-временные условия полигонизации, рекристаллизации и распада водородосодержащей Р-фазы в холоднокатаных листах из сплавов ВТ22И и Т1-10-2-3, легированных водородом. Диаграммы позволяют проводить выбор режимов термической обработки для формирования оптимальной структуры листов перед последующими операциями пластической деформации (штамповка, вырубка и т.д.) или вакуумного отжига.

6. Определены оптимальные концентрации водорода, составляющие 0,3° о масс, для сплава ВТ22И и 0,35% для сплава П-10-2-3. обеспечивающие высокую технологическую пластичность при холодной прокатке листов, и температурно-скоростные режимы наводороживающего отжига исходных сутунок, включающие нагрев до температур 820°С (ВТ22И) или 800°С СП-10-2-3), выдержку в течение 10 часов после насы-

щения водородом и охлаждение со скоростью 0,2-0,4 К/с с вакуумной печью до нормальной температуры.

7. Разработаны режимы рекристаллизационного отжига холоднокатаных листов из сплавов ВТ22И и Ti-10-2-3, легированных водородом, включающего нагрев до температуры 600°С для сплава ВТ22И и 550°С для сплава Ti-10-2-3, выдержку соответственно в течении 3 и 1 часа, что обеспечивает оптимальное состояние структуры перед заключительным вакуумным отжигом и возможность проведения эффективной упрочняющей термической обработки на стандартном вакуумном оборудовании без применения инертных охлаждающих сред.

8. Разработаны параметры вакуумного отжига и последующего старения листов и фольги из сплавов ВТ22И и Ti-10-2-3, обеспечивающие максимальное упрочнение готовых изделий в сочетании с удовлетворительной пластичностью и включающие нагрев в вакууме до температур 800 или 770°С (ВТ22И) и 780 или 750°С (Ti-lO-2-З), выдержку в течение 40 минут или 1 часа соответственно и старение при температуре 450°С в течение 10 часов (ВТ22И) и 8 часов (Ti-10-2-3).

9. Разработаны технологические процессы изготовления листовых полуфабрикатов и фольги из высокопрочных титановых сплавов ВТ22И и Ti-IO-2-З, основанные на сочетании холодной прокатки и термоводородной обработки и позволяющие получать изделия с высоким качеством поверхности, уровнем прочности ов=1320 - 1350 МПа (ВТ22И) и ов=1280 — 1350 МПа (Ti-10-2-3) при удовлетворительной пластичности (6 =5,1 - 5,3%, ч/=21-28°о для сплава ВТ22И: 6=5.1 - 6.4%, ф=20-23% для сплава Ti-lO-2-З). Технология успешно опробована в ГНЦ ВИАМ в 1996 году.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Скворцова C.B.. Крастилевский A.A.. Кодичева О.М. Механизм и кинетика фазовых превращений при изотермическом распаде метастабильных фаз титановых сплавов. -Сб. материалов докл. Российской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии машиностроения". Направление: "Материаловедение и новые технологии металлических материалов". М.: МАТИ. 1993, с. 9.

2. Ильин A.A.. Скворцова C.B.. Майстров В.М.. Крастилевский A.A. Механизм распада переохлажденной ß-фазы и формирование структуры при изотермической обработке a+ß-титановых сплавов. - В сб.: Труды 1 Международной научно-технической конфе-

ренции по титану стран СНГ "Наука, производство и применение титана в условиях конверсии", М.. ВИЛС, 1994. т.1. с. 464-474.

3. Носов В.К.. Мамонов С.А., Овчинников А.В.. Крастилевский А.А. Влияние содержания алюминия на проявление эффекта водородного пластифицирования сплавов типа ВТ22. - В сб. материалов 11 российского научно-технического семинара "Водород в металлических материалах". М.: МГАТУ. 1994. с. 19.

4. Скворцова С.В.. Овчинников А.В.. Крастилевский A-A.. Березкина Г.С. Исследование фазовых и структурных превращений в сплаве Ti-10V-2Fe-4AI. - В сб. материалов II российского научно-технического семинара "Водород в металлических материалах". М.: МГАТУ. 1994. с. 28.

5. Носов В.К.. Коллеров М.Ю., Мамонов С.А.. Крастилевский А.А.. Овчинников А.В Влияние водорода на деформируемость титановых сплавов ВТ22 и ВТ22И при нормальной температуре. В журнале "Металлы" (РАН), №6, 19У5.М.. с. 95-99.

6. Коллеров М.Ю., Скворцова СВ.. Крастилевский А.А.. Мамонов С.А. Закономерности формирования структуры и текстуры при холодной деформации водородосодер-жащего титанового сплава ВТ22И. - В сб. "Водородная обработка материалов (ВОМ'95)", тез. докл. 1-ой международной конференции. 1995, Донецк, Украина, с. 38.

7. Kollerov М. Ум.. Ilyin A.A.. Krastilevsky A.A.. Pavlov А.О. Temperature - Rate Condition Heat Treatment Influence on Structure and Properties of Titanium Alloys. - Abstract Booklet of 8th World Conf.. "Titanium '95", 1995, Birmingham. UK. p. 2/21.

8. Скворцова C.B., Крастилевский А.А.. Самсонова М.Б.. Крюкова E.B. 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„ 1995, с. 14.

9. Ilyin A.A.. Mamonov A.M.. Kollerov M.Yu.. Krastilevsky A.A.. Makarenkov D. Yu. Hydrogen Influence on Martensitic Transformation and Shape Memory Effect in Titanium Alloys. - Journal de Physique IV, V. 5, 1995. p. 1145-1150.

10. Крастилевский А.А.. 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., 1997, с. 24.

11. Коллеров М.Ю.. Самсонова М.Б.. Крастилевский А.А. Формирование структуры и свойств наводороженных листов из высокопрочных титановых сплавов в процессе вакуумного отжига. - В сб. "Новые материалы и технологии". Тез. докл. РНТК. М.. 1997. с. 27.

12. Alexander A.Ilyin, Vladimir K.Nosov, Michail Yu.Kollerov. Alexander A.Krastilevsky. Svetlana V.Scvonsova. Alexei V.Ovchinnikov. "Hydrogen Technology of Semiproducts and Finished Goods Production from High-Strength Titanium Alloys". The book Advances in

the Science and Technology of Titanium Alloy Processing, edited by I. Weiss. R. Srinivasan, P.J. Bania, D. Eylon, and S.L. Semiatin. 1997, pp. 517-526.

Основные положения диссертации доложены на:

1. Научных конференциях МГАТУ им.К.Э.Циолковского в 1993, 1994. 1995, 1996 гг.

2. Научно-технических семинарах "Водород в металлических материалах" в 1994. 1995 гг.

3. Российской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии" в 1993. 1995, 1997 гг.

4. I Международной научно-технической конференции по титану стран СНГ в 1994 г.

5. I Международной конференции "Водородная обработка материалов" в 1995 г.

6. 8th World Conference on Titanium. 1995, Birmingham, UK.

7. 4th and 5th European Conference on Advanced Materials. Processes and Applications,

1995, 1997.