автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Закономерности проявления эффектов водородного пластифицирования а+в и псевдо-в-титановых сплавов в условиях холодной деформации

.. .. На правах рукописи

. » У УДК 669.295788:620.181

2 к ?ЛД? <ЯП7

Мамонов Сергей Александрович

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОЯВЛЕНИЯ ЭФФЕКТА ВОДОРОДНОГО ПЛАСТИФИЦИРОВАНИЯ а+£- И ПСЕВДО-р-ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ В УСЛОВИЯХ ХОЛОДНОЙ ДЕФОРМАЦИИ

Специальность 05.16.05. — Обработка металлов давлением Специальность 05.16.01. — Металловедение и термическая обработка металлов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва 1997

Работа выполнена на кафедрах "Пластическая деформация металлов и сплавов" и "Металловедение и технология термической обработки" Московского авиационного технологического института им. К.Э. Циолковского.

Научные руководители: — профессор, доктор технических наук

Носов Владимир Константинович — доцент, кандидат технических наук Коллеров Михаил Юрьевич

Официальные оппоненты: — профессор, доктор технических наук

Шелест Анатолий Ефимович — доцент, кандидат технических наук Петров Леонид Михайлович

Ведущее предприятие указано в решении Учёного Совета.

Защита состоится февраля 1997 года в 14 часов на заседании диссертационного Совета К 063.56.04. по присуждению учёной степени кандидата наук в области металловедения и обработки давлением в Московском авиационном технологическом институте им. К.Э. Циолковского по адресу: Москва, ул. Оршанская, 3, МАТИ им. Циолковского. Отзыв на автореферат в одном экземпляре (заверенный печатью) просим направлять по адресу: 103767, Москва, К-31, ул. Петровка, 27, МАТИ им. Циолковского.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан января 1997 г.

Учёный секретарь диссертационного Совета доцент, кандидат технических наук B.C. Соколов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Развитие современной техники (сверхзвуковая авиация, электроника, ракетостроение, ядерная энергетика и др.) невозможно без применения новых материалов.

К таким материалам относятся сплавы на основе титана. Титан и его сплавы стали использоваться в промышленности сравнительно недавно и ещё не исчерпаны все возможности использования высокого комплекса их физических, механических и химических свойств. Уже сейчас сплавы титана во многих случаях вытесняют высокопрочные алюминиевые сплавы и легированные стали.

Одним из эффективных способов изготовления изделий из титановых сплавов является листовая штамповка. При этом из подавляющего большинства титановых сплавов детали могут быть изготовлены только горячей деформацией. Холодная листовая штамповка ограниченно применяется в связи с низкой пластичностью большинства конструкционных титановых сплавов при нормальной температуре. Исключение составляют лишь технический титан марок ВТ 1-00, ВТ 1-0, а также титановые сплавы марок ОТ4-0, ОТ4-1, АТ2, ВТ15, ВТЗО.

С повышением температуры нагрева заготовок характеристики штампуемостн увеличиваются, однако процессы окисления протекают более интенсивно, и их влияние особенно отрицательно проявляется на листовых полуфабрикатах, имеющих развитую поверхность. Происходит не только образование окалины, но и диффузия газов в металл, что сопровождается снижением пластичности при штамповке.

Особое место среди специальных титановых сплавов занимают сплавы на основе системы ТЫЧЬ, которые находят применение в качестве материала для производства сверхпроводников (сплав НТ-50, содержащий 50% МЬ1)- Сплав НТ-50 обладает высокими технологиче-

' В работе содсржягтс волоро.та к .кпгр)1опок мсчпггоб указано в % по ч«ссе.

скими свойствами при тёплой и при холодной деформациях. Однако, этот сплав имеет высокую стоимость и значительный удельный вес из-за большого содержания дефицитного и тяжёлого ниобия. Снижение концентрации ниобия вызывает резкое ухудшение пластичности сплавов при нормальной температуре, необходимой для обеспечения требуемой степени холодной деформации сверхпроводника, позволяющей формировать требуемую структуру и специальные свойства.

В связи с этим представляет большой интерес возможность повышения деформируемости высокопрочных и специальных титановых сплавов за счёт использования эффекта водородного пластифицирования в процессах холодной обработки давлением.

Основной эффект повышения технологичности (увеличение пластичности и снижение сопротивления деформации) титановых сплавов, легированных водородом, связывается с благоприятным изменением их фазового состава и структурного состояния.

Возможная обратимость водородного легирования титана, высокая диффузионная подвижность водорода и благоприятное его воздействие на фазовый состав позволили разработать ряд оригинальных высокоэффективных технологий по изготовлению ответственных детален титановых сплавов для авиационной и космической техники. В этой связи значительный интерес представляет не только использование в промышленности эффекта водородного пластифицирования при тёплой и горячей деформации титановых сплавов, но и разработка методов повышения пластичности при холодной деформации. Поэтому требуются более детальные исследования влияния водорода на фазовый состав, структуру, свойства и проявление эффекта водородного пластифицирования применительно к сверхпроводящим и высокопрочным титановым сплавам в условиях холодной деформации.

Цель работы:

На основании исследований влияния водорода на фазовый состав, структуру и свойства а+р- и псевдор- титановых сплавов установить закономерности проявления эффекта водородного пластифицирования сверхпроводящих и высокопрочных сплавов в условиях холодной деформации.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Исследовать влияние водорода на фазовый состав, структуру н характеристики холодной пластической деформации сверхпроводящих сплавов системы "П-ЫЬ.

2. Разработать технологическую схему производства экономноле-гнрованных сверхпроводников из сплавов системы "П-МЬ с использованием водородной технологии.

3. Исследовать влияние водорода на фазовый состав, структуру и закономерности холодной пластической деформации сплавов ВТ22 и ВТ22И.

4. Разработать технологическую схему холодной листовой прокатки и листовой штамповки высокопрочных титановых сплавов типа ВТ22.

Научная новизна:

1. Исследовано влияние водорода на изменение фазового состава, структуры и закономерности холодной пластической деформации сплавов системы "П-ЫЬ. в условиях сжатия и растяжения. Установлено, что легирование водородом повышает механическую стабильность р-фазы к

маргенситному р->а"-превращению, что способствует развитию скольжения в однофазной структуре с высокой кристаллографической симметрией. Это сопровождается снижением деформирующих усилий и повышением пластичности сплавов системы "П-МЬ, содержащих не менее 23%ИЬ.

2. Показано, что образующийся в сплавах системы ТьЫЬ-Н гидрид с ОЦТ кристаллической решёткой (х-фаза) является механически нестабильным и в процессе холодной деформации у малолегированных сплавов (с содержанием ниобия до 23%) претерпевает превращение в ГЦК гидрид (5-фаза), а в высоколегированных сплавах - частично или полностью переходит в р-фазу. В результате этих превращений, в первом случае, сплавы охрупчиваются, а во втором - пластичность сплавов практически не изменяется.

3. Исследовано влияние водорода на формирование фазового состава, структуры и механических свойств высокопрочных титановых сплавов ВТ22И и ВТ22, в отожжённом и закалённом состояниях. Показано, что водород способствует повышению стабильности р-фазы к мартенситному превращению при охлаждении от температур р-области и в процессе холодной деформации, что способствует повышению пластичности и снижению сопротивления деформации.

4. Установлено, что увеличение концентрации алюминия при переходе от сплава ВТ22И к сплаву ВТ22 принципиально не меняет закономерности влияния водорода на развитие фазовых превращений и изменение механических свойств при холодной деформации. Однако, повышение напряжений скольжения в однофазной р-структуре, вызванное твёрдорастворным упрочнением алюминием вызывает снижение пластичности и, соответственно, снижает эффект водородного пластифицирования сплава ВТ22 по сравнению со сплавом ВТ22И.

Практическая значимость:

1. Определена область составов сплавов системы Т1-ЫЬ, легированных водородом, которые могут быть использованы для изготовления сверхпроводящих материалов. Рекомендован сплав "П-35ЫЬ-0,ЗН, который обладает комплексом механических свойств, соответствующих промышленному сплаву НТ-50 и имеет на 14-17% меньший удельный вес и на 11-13% дешевле сплава НТ-50. Разработана технологическая схемы получения сверхпроводящих многожильных кабелей из сплава Т1-35ЫЬ-0,ЗН.

2. Разработана технологическая схема холодной листовой штамповки сплава ВТ22И, которая предполагает сквозное использование эффекта водородного пластифицирования как на стадии получения листовых заготовок горячей, тёплой или холодной прокаткой, так и на стадии холодной листовой штамповки. Определены режимы вакуумного отжига холодноштампованных изделий. Данная технология не имеет аналога в промышленности, ввиду низкой технологичности сплава ВТ22И, с исходным содержанием водорода, при холодной деформации.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены на 9 научно-технических конференциях и семинарах.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов по работе, списка использованной литературы из 110 наименований и приложения. Изложена на 130 страницах машинописного текста, содержит 82 рисунков и 22 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Состояние вопроса и постановка задач исследований.

В главе анализируются данные о механизме пластической деформации и влияние различных факторов на деформируемость титановых

сплавов, а также дана классификация титановых сплавов и характеристика сверхпроводящих и высокопрочных титановых сплавов.

Показано, что в титановых сплавах в зависимости от фазового состава реализуются различные виды механизмов деформации. Пластическая деформация может существенно влиять на протекание различных фазовых превращений, как правило, ускоряет процессы распада мета-стабильных твёрдых растворов при старении, а в некоторых случаях сама вызывает превращения в метастабильных фазах. Фазовые превращения в титановых сплавах отличаются большим разнообразием и сложностью, и зависят от множества факторов. В главе даны характеристики равновесных и метастабильных фаз и описаны фазовые и структурные превращения.

В главе приведена классификация титановых сплавов по типу структуры, уровню прочности и области применения, а также показано влияние легирующих элементов на механические свойства.

Дана характеристика сверхпроводящих сплавов. Показано, что сверхпроводящие характеристики зависят от химического состава (температура перехода, критическое магнитное поле), и структуры (критическая плотность тока). Наиболее пригодными в качестве сверхпроводящих материалов, согласно литературным данным, являются сплавы, содержащие более 45% ниобия. Сплавы с меньшим содержанием ниобия в промышленности не применяют из-за их низкой пластичности, хотя их сверхпроводящие свойства практически не уступают свойствам сплавов с более высоким содержанием ниобия. Приведена промышленная технологическая схема получения сверхпроводящего кабеля из сплава НТ-50.

Согласно литературным данным, удовлетворительной обрабатываемостью давлением при нормальной температуре (холодная прокатка, холодная листовая штамповка) обладают малолегированные а-сплавы

(ВТ1-0, 0T4 и т.п.) или высоколегированные Р-сплавы (ВТ15, НТ-50 и др.). Однако первые имеют малую прочность и склонность к фистонисто-сти, из-за высокой анизотропии свойств гексагональной а-фазы. В тоже время р-сплавы содержат большую долю дорогих и тяжелых легирующих элементов, таких как хром, молибден, ниобий, вызывающих увеличение стоимости и удельного веса титановых сплавов. Среднелегированные (а+Р)-титановые сплавы ВТ6, ВТ16, ВТ22, ВТ23 имеют высокую удельную прочность и в ряде конструкций авиационной, космической и химической техники могут успешно конкурировать со сталями и алюминиевыми сплавами. Однако, их технологическая пластичность при нормальной температуре очень мала и не позволяет применять экономически эффективной технологии холодной листовой прокатки и штамповки.

Решение проблем обработки давлением высокопрочных и сверхпроводящих (а+Р)-титановых сплавов возможно с помощью применения водородного пластифицирования. В главе содержится анализ влияния водорода на свойства титановых сплавов. Рассматриваются вопросы, связанные с водородной хрупкостью, водородным пластифицированием и термоводородной обработкой. Показано, что водород является универсальным средством формирования высоких технологических и эксплуатационных свойств титановых сплавов. Широко известно благоприятное воздействие обратимого легирования водородом при горячен деформации титановых сплавов различных классов, которое снижает температуру и усилия деформирования, при этом формируется оптимальная структура и высокий комплекс физико-механических свойств полуфабрикатов. Однако, в литературе практически отсутствуют данные о возможности использования водородного легирования для улучшения обрабатываемости титановых сплавов при нормальной температуре.

В заключение главы даётся обоснование о необходимости проведения исследований влияния водорода на структуру, фазовый состав и свойства сплавов системы И-ИЪ и сплавов ВТ22 и ВТ22И и ставятся задачи исследования.

Глава 2. Объекты и методы исследования.

Исследования проводили на сплавах системы ТьЫЬ, полученных сплавлением иодидного титана (99,98%) и электролитического ниобия (99,9%) в электродуговой печи с нерасходуемым вольфрамовым электродом в атмосфере очищенного гелия на медном водоохлаж-даемом поде пятикратным переплавом. После гомогенизационного отжига слитки ковали в прутки диаметром 12мм с температур 900°С.

Влияние водорода на механические и технологические свойства сплавов ВТ22 и ВТ22И исследовали на горячекатаных прутках диаметром 20 мм с р-структурой, полученных из промышленных слитков и отожжённых для приведения структуры в равновесное состояние при 800-840°С.

Насыщение образцов водородом проводили из газообразной среды при температурах 650-800°С до концентраций 0,1-0,7%. Содержание водорода в образцах определяли по изменению давления водорода в системе с известным объёмом и контролировали по привесу.

Термическую обработку проводили в печах электросопротивления с воздушной атмосферой и вакууме с остаточным давлением 10 5 Па.

Испытания на сжатие сплава проводили на лабораторном гидравлическом прессе ПМ-125 усилием 1,25Мн, при нормальной температуре с начальной скоростью деформации ео=2,4»10'2с-'. Пластичность сплавов оценивали предельной степенью деформации (епР), соот-

ветствующей образованию первой макроскопической трещины, а сопротивление деформации - удельным усилием сжатия (ф).

Испытания на растяжение проводили на универсальной испытательной машине РР-100, усилием ЮОкН, при нормальной температуре, с начальной скоростью деформации ео=1,4*10-3с1. Пластичность сплавов оценивали относительным удлинением (5) и относительным сужением (у), а сопротивление деформации - условными напряжениями растяжения (а).

Прокатку сплавов в лабораторных условиях проводили на стане ДУО-250 при нормальной температуре. Технологическую пластичность сплавов оценивали суммарным обжатием и внешним видом полученных листовых заготовок (качеством поверхности и состоянием боковых кромок листа).

Микроструктуру изучали с помощью оптического микроскопа НЕОФОТ-ЗО при увеличении до 1200 крат.

Рентгеноструктурный анализ проводили на дифрактометре ДРОН-4 в фильтрованном Ка медном излучении, при котором определяли качественный и количественный фазовый состав сплавов.

Глава 3. Исследование влияния водорода на структуру и

закономерности холодной пластической деформации сплавов системы ТьМЬ.

В главе приведены результаты исследовании влияния водорода на структуру, фазовый состав и свойства сплавов системы в

отожжённом и закалённом состояниях.

В закалённых сплавах с а'-структурой с увеличением концентрации ЫЬ наблюдается повышение предела текучести (сто.;), а в сплавах а"-мартенситом - снижение. Образование при закалке со-фазы вызывает резкий рост ао.2 и падение предельной степени деформации (е,т ). Уменыие-

II

ние объёмной доли ш-фазы в (а"+р+со)-структуре сплавов, содержащих 30-38% ниобия приводит к снижению 00.2 до уровня 350-400МПа, а eup возрастает с увеличением содержания Nb. Для сплавов, содержащих более 38% Nb и имеющих однофазную p-структуру, предельная степень деформации достигает значений свыше 80%.

У отожжённых и закалённых сплавов водород изменяет условия протекания мартенситных превращений при деформации и способствует развитию превращений, связанных с образованием или исчезновением гидридов. В сплавах, содержащих менее 30% Nb, водород способствует снижению напряжений, необходимых для развития Р~кх" превращения при деформации. Это приводит к снижению предела текучести сплавов. В сплавах содержащих более 30% Nb, в которых р-фаза при нормальной температуре механически нестабильна, водород повышает устойчивость р-фазы к мартенситному превращению, повышает напряжения р-кх"-перехода и снижает усилия при больших степенях деформации. Объёмная доля образующегося при деформации мартенсита уменьшается, и процесс формоизменения образца контролируется, в основном, процессами скольжения в Р-фазе. В сплавах системы Ti-Nb, содержащих от 17-35% Nb и более 0,1% водорода для закалённых и 0,4% для отожжённых образцов образуется х-гидрид, который представляет собой промежуточный гидрид типа МеН, с ОЦТ кристаллической решёткой. Эта фаза в малолегированных ниобием сплавах (менее 20%) при деформации превращается в 8-гидрид с ГЦК кристаллической решёткой, а в более легированных - переходит в р-фазу. Образование 8-гидрида вызывает увеличение усилий деформирования и снижение пластичности сплавов (рис.1,2).

Наибольшее благоприятное воздействие водород оказывает на сплавы Т1-38МЬ и "П-35ЫЬ, причём интенсивное снижение сопротивле-^____!_ ния деформации и повышение пластичности наблюдается при легировании этих сплавов до 0,1%Н (рис. 1,2). Следует отметить, что дальнейший рост Сн до 0,4% приводит к меньшему эф-о о,2 о,4 сн,%(масс.) фекту снижения сопротивле-

Рис.1. Зависимости удельных усилий сжатия от кон- ния Деформации И ЗНЭЧН-цснтрации водорода при степени деформации 20° о

(ч;о) для сплавов системы Т^Ь. в закалённом со- тельному повышению пла-стояиш: 1 - стичности. Предельная сте-

пень деформации, в этом случае, ограничивалась мощностью оборудования (рис.2). Повышение пластичности сплавов, в отожжённом состоянии, связано с увеличе-

"пр.' %

60

40

20

; 1 2 . t ' г -

2^

у^--

0,2

0,4 Сп,%(масс.)

нием объёмной доли Р-фазы при легировании водородом.

Легирование водородом сплавов системы ТьЫЬ сопровождается снижением температуры фазового а+р/р перехода (Асэ) и изменением

Рис.2. Зависимости предельной степени деформации (Епр) от концентрации водорода для сплавов системы "П-ЫЬ, в закалённом состоянии: структуры и механических

1 - нт-50; 2 - т1-35ыь; 3 - тьзоиь; 4 - т1-23ыь; п

5 - ТМ7!^Ь свойств. Легирование водо-

родом сплавов содержащих свыше 38% ниобия, имеющих в отожжённом состоянии однофазную Р-структуру, приводит к увеличению со-

противления деформации при холодной деформации сжатием, вследствие растворного упрочнения (З-твёрдого раствора водородом (рис.1).

На основании результатов проведённых исследований влияния водорода на пластичность и сопротивление деформации сплавов системы "П-МЬ, для дальнейших исследований технологических и специальных свойств многожильных сверхпроводников наиболее целесообразно использовать сплав с 35%МЬ, легированный 0,3%Н, который имеет структуру, представленную механически стабильной р-фазой и обладает механическими свойствами, аналогичными свойствам промышленного сверхпроводящего сплава НТ-50.

Глава 4. Исследование влияние водорода на структуру и

закономерности холодной пластической деформации сплавов ВТ22 и ВТ22И.

В главе приведены результаты исследований влияния водорода на структуру, фазовый состав и свойства сплавов ВТ22И и ВТ22, в отожжённом и закалённом состояниях, при сжатии и растяжении.

С увеличением концентрации водорода в сплавах происходит снижение температуры Асз, изменение объёмного соотношения фаз и и.\ морфологии, а также увеличивается объёмная доля Р-фазы и снижается степень её легированности основными р-стабилизаторами.

В закалённом состоянии фазовый состав сплава ВТ22 представлен одной метастабильной р-фазой, тогда как сплав ВТ22И с содержанием водорода до 0,1% имеет небольшое количество а"-мартенсита, объёмная доля которого при увеличении концентрации водорода снижается и при Сн>0,1%Н сплав ВТ22И является однофазным.

В отожжённом состоянии легирование водородом приводит к снижению удельных усилий сжатия и резкому повышению пластичности сплавов, что обусловлено стабилизацией р-фазы, увеличением её 14

0,4 См,%(масс.)

объёмной доли, а также снижением степени её легированности основными р-стабилизаторами.

Следует отметить, что интенсивное снижение сопротивления деформации и повышение пластичности имеет место у сплава ВТ22И (предельная степень деформации достигает значений

свыше 80%). У сплава ВТ22 Рис.3. Зависимости удельных усилий сжатия при

степени деформации 20% от концентрации интенсивность снижения

водорода для сплавов ВТ22 и ВТ22И, в закалёнА " удельных усилии сжатия и ном состоянии. 1

пластичность значительно ниже (рис.3,4).

При растяжении наиболее благоприятное воздействие водород оказывает на сплав ВТ22И при Сн>0,3% - происходит интенсивное снижение сто,2 и ев, а также повышаются пластические характеристики (5 и Кроме того, с увеличением концентрации

%

60 40 20 0

и 1 1 1

/ ВТ22И

V

г ВТ22

1

О

0,2

0,4 Сн,%(масс.)

Рис.4. Зависимости предельной степени деформации (епр.) от концентрации водорода для сплавов ВТ22 и ВТ22И. в закалённом состоянии.

водорода увеличивается и разница между ав и ао.2, что весьма благоприятно при таких технологических операциях, как листовая штамповка, причём наибольшая разность ов-сто,2 наблюдается у сплава с 0,3%Н. В закалённом состоянии легирование водородом сплавов ВТ22 и ВТ22И сопровождается снижением сопротивления деформации и повышением пластичности.

Влияние водорода на механические свойства закалённых сплавов ВТ22 и ВТ22И связано, как с изменением исходного фазового состава образцов, так и с изменением механизма пластической деформации.

Исследования показали, что при деформации сплавов ВТ22И и ВТ22, в закалённом состоянии, может последовательно или одновременно происходить ряд превращений. При малых деформациях реализуется (Р-»а")-переход, а при больших - образование р-фазы с ОЦТ кристаллической решёткой. Следует отметить, что у сплава ВТ22, деформированного на предельную степень, мартенсит сохраняется во всем диапазоне концентраций водорода, а тетрагональность Р-фазы проявляется в значительно меньшей степени, чем у сплава ВТ22И.

Водород существенно влияет на полноту этих превращений. Повышая устойчивость р-фазы к (Р->а")-переходу, водород уменьшает объёмную долю мартенсита, возникающего при деформации, и способствует развитию скольжения в высокосимметричной кристаллической решётке р-фазы. Это приводит к снижению усилий при больших степенях деформации и повышению пластичности сплава как при сжатии (рис.3,4), так и при растяжении.

Результаты проведённых исследований показали, что увеличение концентрации алюминия при переходе от ВТ22И к ВТ22 вызывает сдвиг соответствующих этапов превращения к большим напряжениям и деформациям, что приводит к росту сопротивления деформации и снижению пластичности, тем самым, снижая благоприятное воздействие водорода. Поэтому в качестве материала для дальнейших исследований выбрали сплав ВТ22И, дополнительно легированный 0,3% водорода.

Глава 5. Опытно-промышленные исследования эффекта водородного пластифицирования сверхпроводящих титановых сплавов в процессах холодной деформации.

В главе приведены результаты исследований влияния водорода на свойства опытного сплава Ti-35Nb в различных технологических процессах холодной деформации, а также представлена технологическая схема получения сверхпроводников из сплава Ti-35Nb-0,3H.

Проведение холодной листовой прокатки показало, что водород значительно повышает пластичность сплава Ti-35Nb. Образец из сплава с исходным содержанием водорода в отожжённом состоянии полностью разрушился во втором проходе при обжатии 7%, тогда как сплав Ti-35Nb-0,3H деформировали, без промежуточных отжигов, до степени деформации 98%.

Для повышения сверхпроводящих характеристик титан-ниобиевые сплавы после деформации подвергают старению. В исходном, после деформации, состоянии структура сплава представлена р-фазой с высокой концентрацией дефектов кристаллического строения.

Для уточнения структурных изменений, происходящих в холоднокатаном листе из сплава Ti-35Nb, образцы подвергали старению в интервале температур от 250 до 650°С с выдержкой до 30 часов. По результатам исследований построили диаграмму структурных изменений р-фазы при старении, которую можно использовать для выбора режимов окончательной термической обработки сплава Ti-35Nb при изготовлении многожильных сверхпроводников. После старения при 375°С в течение 30 часов формируется полигонизированная (р+а)-структура с высокой степенью дисперсности а-фазы.

На основании результатов проведённых исследований водородного пластифицирования сплава Ti-35Nb, а также на основании технологического процесса получения сверхпроводящего кабеля из сплава НТ-50, разработана технологическая схема получения сверхпроводящего кабеля из сплава Ti-35Nb.

Отработку режимов технологии получения сверхпроводящего кабеля из сплава ТЬ35ЫЬ-0,ЗН проводили на гидропрессованных модельных биметаллических прутках с медной оболочкой в процессах волочения и сортовой прокатки.

Волочение производили с единичными обжатиями 12-15% и скоростью 10-20м/мин до диаметра 0,2 мм. Суммарная вытяжка биметаллического полуфабриката при волочении составила д=1225 (1пц=7,11), а вытяжка с учётом гидропрессования-ц= 13225 (1пц=9,49) при диаметре (1л.з5№=0,13 мм. Полученная проволока отличалась высоким качеством поверхности и высокими механическими свойствами, при этом обрывов проводников не наблюдалось.

Сортовую прокатку осуществляли с диаметра 7 мм до 1 мм со средним обжатием за проход 15-20%, а суммарная вытяжка - ц=49 (1пц=3,89). На этом этапе проводили термообработку полуфабриката, затем процесс прокатки продолжали. В результате была получена проволока диаметром 0,15 мм, которая отличалась высоким качеством поверхности и хорошей сплошностью.

Изготовленный по данной технологии кабель проходил аттестацию сверхпроводящих свойств в ГОКБ "Горизонт". Свойства, полученные при аттестации, полностью соответствовали промышленному сплаву НТ-50.

Глава 6. Опытно-промышленные исследования эффекта водородного пластифицирования высокопрочных титановых сплавов в процессах холодной деформации.

В главе приведены результаты исследований влияния водорода на свойства сплава ВТ22И в различных технологических процессах холодной деформации, а также представлена технологическая схема холодной листовой штамповки сплава ВТ22И.

На основании результатов лабораторных исследований влияния водорода на сопротивление деформации и пластичность высокопрочного сплава ВТ22И были разработаны технологические рекомендации по производству листовых полуфабрикатов и осуществлению процесса листовой штамповки, которые предполагают в качестве предварительных операций тёплую и холодную прокатки.

Тёплую прокатку сплава, с исходным содержанием водорода, проводили до толщины 2 мм со средним обжатием за проход 10-12% и подогревами через каждые 4 прохода при 750°С в течение 5-12 минут. Заготовки, легированные водородом, были успешно прокатаны с температуры 600°С со средним обжатием за проход 18-20%. Подогрев полосы осуществляли через 4 прохода при 600°С. Полученные полосы характеризовались хорошей выкаткой и отсутствием поверхностных дефектов. Заготовки, легированные водородом, были прокатаны холодной прокаткой, без предварительного и промежуточных отжигов, за 10-12 проходов до конечной толщины 0,9 мм (еСум >50%).

Перед проведением листовой штамповки необходимо провести отжиг заготовок, чтобы снять наклёп, устранить текстуру прокатки и повысить пластические характеристики. Микроструктурными и рентгено-структурными исследованиями установлено, что легирование водородом способствует снижению температуры начала рекристаллизации. У сплава с 0,3% она составляет 600°С соответственно, тогда как у сплава, с исходным содержанием водорода, процесс рекристаллизации в холоднокатаном листе начинается при температурах не ниже 750°С.

Наибольший эффект повышения технологической пластичности достигается у сплава, легированного водородом и отожжённого при 600°С (табл.1), при этом образцы характеризуются мелкозернистой, рекристаллизованной структурой с величиной зерна 10-15 мкм.

Штампуемость сплава ВТ22И, с различным содержанием водорода, оценивали по результатам технологических операций гибки, вытяжки и отбортовки. Анализ проведённых испытаний свидетельствует, что легирование сплава ВТ22И водородом позволяет значительно повысить технологическую пластичность листовых полуфабрикатов.

У сплава, с исходным содержанием водорода, минимальный радиус гиба равен ЮБ. Легирование сплава водородом уменьшает радиус ги-ба до 1,0-(1,5-2)5, что сопоставимо со сплавом ВТ 1-0.

Вытяжку сплава оценивали при штамповке изделия типа "стакан". Глубина изделий, полученных за один переход, составила 25 мм, а предельный коэффициент вытяжки — Квыг-2,0-2,2.

При проведении операции отбортовки были получены аналогичные результаты. В этом случае предельный коэффициент при отбортовке составил: 1,6-1,8.

На заключительной стадии получения штампованных изделий предусматривается вакуумный отжиг с целью удаления водорода и предотвращения водородной хрупкости при эксплуатации. Формирование структуры при вакуумном отжиге связано с кинетикой фазовых превращений, обусловленных как термическим циклом отжига, так и снижением содержания водорода.

Приведённые результаты свидетельствуют о том, что уровень механических свойств изделий, полученных по водородной технологии, не хуже аналогичных характеристик серийных образцов, а проведение двухступенчатой термообработки - вакуумного отжига и старения позволяет повысить прочностные характеристики на 8-10% при сохранении пластичности (табл.1).

Разработанные технологические рекомендации были опробованы в ВИАМе, и позволяют получать холодной листовой штамповкой изделия широкого назначения из сплава ВТ22И, что в настоящее время не

практикуется в промышленности, вследствие низкой технологической пластичности сплава в условиях холодной деформации.

Таблица 1.

Механические свойства сплава ВТ22И с различным содержанием водорода.

Содержание водорода, % Режим отжига Механические характеристики

Оо.1, МПа ав, МПа 5,% у, %

Исходное состояние - холодная прокатка

0,004 Промышленный технологический отжиг 705,0 870,0 5,3 14,9

0,3 600°С, ЗОмин. 632,0 853,0 8,0 42,9

Свойства штампованных изделий после окончательной термообработки

0,004 Промышленная обработка 1047 1397 3,1 20,8

0,3 Вакуумный отжиг 750°С, Зчаса 789 995 5,2 31,3

Вакуумный отжиг 750°С, Зчаса + 500°С, Ючас 1107 1403 3,0 21,7

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. Исследовано влияние водорода на фазовый состав и структуру сплавов системы ТьЫЬ, в отожжённом и закалённом из Р-области состояниях. Показано, что водород вызывает существенное изменение фазового состава и структуры сплавов системы Т1-ЫЬ. В отожжённом состоянии водород увеличивает объёмную долю р-фазы, при этом сплавы с содержанием ниобия более 35% становятся однофазными при Сн=0,3%. При концентрации ниобия от 10 до 30% и водорода свыше 0,2% образуется трёхфазная (а"+р+х)-структура, в которой х_Фаза представляет собой промежуточный гидрид типа МеН, с ОЦТ кристаллической решёткой.

В закалённом состоянии водород снижает концентрацию №> и Р-фазе, необходимую для развития р-кх"- и подавляет р-ко-превращениям. Появление х-фазы у закалённых сплавов с содержанием ниобия до 30% отмечается при концентрации водорода 0,1% и выше.

2. Установлены основные закономерности изменения фазового состава, структуры и механических свойств сплавов системы ТьЫЬ, легированных водородом, при нормальной температуре в условиях сжатия и растяжения. Показано, что водород способствует повышению механической стабильности (3-фазы в процессе деформации, уменьшая или предотвращая р->а" мартенситное превращение, что вызывает повышение пластичности и снижение деформирующих усилий. Содержащаяся в сплавах Х-фаза претерпевает в процессе деформации два вида превращений Х->Р(а")+5, у сплавов с содержанием ниобия до 30%, и >Р(а") - в сплавах с более высоким содержанием ниобия. Образование 8-фазы сопровождается снижением пластичности сплавов и повышением сопротивления деформации. При втором виде превращения пластичность сплавов практически не изменяется.

Для однофазных р-сплавов с содержанием ниобия более 38% водород оказывает упрочняющее действие, связанное с твёрдорастворным упрочнением Р-фазы.

3. На основании лабораторных исследований определена область сплавов системы ТьИЬ, легированных водородом, которые могут быть использованы для производства сверхпроводящих кабелей. Из этой области был рекомендован сплав Т1-35ЫЬ-0,ЗН, который обладает комплексом механических свойств, соответствующих промышленному сплаву НТ-50 и имеет на 14-17% меньший удельный вес и на 11-13% дешевле > сплава НТ-50.

4. Проведена отработка технологических режимов обработки сплава Т1-35ЫЬ-0,ЗН, согласно имеющейся промышленной схеме получения сверхпроводников из сплава НТ-50. На основании полученных результатов составлена технология получения сверхпроводящего кабеля из сплава Т1-35ЫЬ-0,ЗН. По предложенной технологической схеме изготовлена опытная партия сверхпроводников, которые проходили аттестацию

специальных свойств в ГОКБ "Горизонт". Сверхпроводящие свойства, полученные при аттестации, полностью соответствуют промышленному сплаву НТ-50.

5. Исследовано влияние водорода на фазовый состав и структуру высокопрочных титановых сплавов ВТ22И и ВТ22, в отожжённом и закалённом из р-области состояниях. Показано, что водород вызывает существенное изменение фазового состава и структуры сплавов. В отожжённом состоянии водород увеличивает объёмную долю р-фазы, при этом сплав ВТ22И при Сн=0,3% становится однофазным, а сплав ВТ22 имеет (а+Р)-структуру.

В закалённом состоянии водород повышает термическую стабильность высокотемпературной р-фазы к р-»а"-превращениям. При концентрации водорода более 0,1% сплавы становятся однофазными.

6. Установлены основные закономерности изменения фазового состава, структуры и механических свойств высокопрочных титановых сплавов ВТ22И и ВТ22, легированных водородом, при нормальной температуре в условиях сжатия и растяжения. Показано, что водород способствует повышению механической стабильности р-фазы в процессе деформации к р-мх" мартенситным превращениям у закалённых сплавов, что способствует повышению пластичности и снижению деформирующих усилий. Однако, в зависимости от концентрации водорода, при деформации может последовательно или одновременно происходить ряд превращений. При малых степенях деформации реализуется (Р-»а")-переход, а при больших - образование р-фазы с ОЦТ кристаллической решёткой. Следует отметить, что в сплаве ВТ22, деформированном на предельную степень, мартенсит сохраняется во всем диапазоне концентраций водорода, а тетрагональность р-фазы проявляется в значительно меньшей степени, чем для образцов из сплава ВТ22И.

В отожжённом состоянии снижение сопротивления деформации и повышение пластичности связано с увеличением объёмной доли Р-фазы.

7. Установлено, что увеличение концентрации алюминия при переходе от сплава ВТ22И к сплаву ВТ22 принципиально не меняет закономерности влияния водорода на развитие фазовых превращений и изменение механических свойств при холодной деформации. Однако, повышение напряжений скольжения в однофазной Р-структуре, вызванное твёрдорастворным упрочнением алюминием вызывает снижение пластичности и, соответственно, снижает эффект водородного пластифицирования сплава ВТ22 по сравнению со сплавом ВТ22И. Поэтому для дальнейших исследований был выбран сплав ВТ22И, который при легировании 0,3% водорода имеет высокий уровень механических свойств при нормальной температуре, необходимых для получения листовых изделий.

8. Проведена отработка технологических режимов процессов тёплой и холодной листовой прокатки и холодной листовой штамповки сплава ВТ22И, легированного водородом. На основании полученных результатов составлена технологическая схема холодной листовой штамповки. Разработанная технология предполагает сквозное использование эффекта водородного пластифицирования как на стадии получения листовых заготовок горячей, тёплой или холодной прокаткой, так и на стадии холодной листовой штамповки изделий широкого назначения. Данная технология не имеет аналога в промышленности, ввиду низкой технологичности сплава ВТ22И при холодной деформации.

По предложенной технологической схеме в ВИАМе изготовлена опытная партия штампованных изделий. Полученные изделия характеризовались хорошим качеством поверхности и высокими механическими свойствами.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Скворцова C.B., Самарии Е.В.. КрастилевскиИ A.A.. Мамонов С.А. Исследование фазовых и структурных превращений в листах из сплава ВТ22И, легированного водородом. Материалы научно-технического семинара "Водород в металлических материалах". М.: МГАТУ, 1993, стр.28-29.

2. Мамонов С.А.. Овчинников A.B.. Самарин Е.В., КоОичева О.М. Водородное пластифицирование сплавов системы Ti-Al-Mo-V-Fe-Cr с различным содержанием алюминия в условиях холодной деформации. Материалы научно-технического семинара "Водород в металлических материалах". М.: МГАТУ, 1993, стр.13.

3. Агаркова Е.О., Мамонов С.А.. Коллеров М.Ю., Ландарь М.Г. Формирование структуры сплавов системы Ti-Nb при холодной пластической деформации. Тезисы докладов Российской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии". М.: МГАТУ, 1994, стр.11.

4. Коллеров М.Ю., Агаркова Е.О., Мамонов С.А., Осинцева Н.О. 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, стр.11.

5. Мамонов С.А., Овчинников A.B., Самарин Е.В. Исследование влияния водорода на параметры теплой и холодной прокатки a+ß-титанового сплава ВТ22И. Тезисы докладов Российской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии". М.: МГАТУ, 1994, стр. 12.

6. Носов В.К., Мамонов С.А.. Овчинников A.B., Крастилевскии A.A. Влияние содержания алюминия на проявление эффекта водородного пластифицирования сплавов типа ВТ22. Материалы второго научно-технического семинара "Водород в металлических материалах". М.: МГАТУ, 1994, стр.19.

7. Самарин Е.В., Мамонов С.А., Разуваев Е.И., Овчинников A.B. Водородное пластифицирование сплавов системы Ti-Al-Mo-V-Fe-Cr в технологическом процессе теплой и холодной прокатки. Материалы второго научно-технического семинара "Водород в металлических материалах". М.: МГАТУ, 1994, стр.22.

8. Носов В.К., Мамонов С.А., Долбинов Ю.Д.. Агаркова Е.О. Водородное пластифицирование сплавов системы Ti-Nb в условиях холодной деформации. Материалы второго научно-технического семинара "Водород в металлических материалах". М.: МГАТУ, 1994, стр.33.

9. Носов В.К.. Коллеров М.Ю., Мамонов С.А., Овчинников A.B.. Крастилевский A.A. Влияние водорода на деформируемость титановых сплавов ВТ22 и ВТ22И при нормальной температуре. М.: Металлы, 1995, №6, стр.95-99.

10. Агаркова Е.О.. Осинцева Н.О., Мамонов С.А. Влияние на формирование структуры и текстуры в сплавах системы Ti-Nb при холодной пластической деформации. Тезисы докладов Российской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии". М.: МГАТУ, 1995, стр.13.

11. Мамонов С.А., Мишин A.B. Фазовые превращения в a+ß- титановых сплавах при высокотемпературной термической обработке и последующей холодной деформации. Материалы IX научно-технического семинара "Теплофизика технологических процессов". Р.: РГАТА, 1996, стр.72-73.

Основные положения диссертации доложены на:

1. Научных конференциях МАТИ им. К.Э. Циолковского в 1992, 1993, 1994, 1995 г.г.

2. Научно-технических семинарах "Водород в металлических материалах" в 1993, 1994 г.г.

3. Российской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии" в 1994, 1995 г.г.

4. IX Российской научно-технической конференции "Теплофизика технологических процессов" в 1996г.