Влияние легирования водородом и пластической деформации на структуру и свойства сплавов Ti-6Al и Ti-6Al-4V

Высокие удельные прочностные характеристики и коррозионная стойкость титановых сплавов определяют их широкое применение в различных отраслях промышленности. Развитие современных отраслей машиностроения предъявляет все более возрастающие требования к качеству конструкционных материалов. В связи с этим одной из главных задач металловедения является разработка новых методов упрочняющей обработки промышленных сплавов. В последние годы интенсивно разрабатываются различные способы деформационной обработки, основанные на применении больших пластических деформаций при пониженных температурах. В ходе такой обработки происходит измельчение микроструктуры металлов и сплавов до размеров зерен менее 1 мкм. Формирование ультрамелкозернистой (УМЗ) структуры приводит к значительному повышению прочности при нормальной температуре, и, что особенно важно для последующего изготовления изделий, к повышению технологической пластичности при температурах, пониженных по сравнению с обычными режимами обработки.

В работах научной школы академика РАН Ильина А. А. установлены основополагающие принципы влияния механизма фазовых превращений в титановых сплавах на формирование фазового состава и структуры при воздействии различных технологических факторов. В последнее время интенсивное развитие получило новое направление обработки титановых сплавов водородная технология, основанная на сочетании обратимого легирования водородом с термическим и термомеханическим воздействием [1]. Водородная технология титановых сплавов основана на обратимом легировании титановых сплавов водородом и состоит в наводороживании металла до заданных концентраций, проведении технологических операций с использованием благоприятных эффектов, обусловленных водородом, и, при необходимости, вакуумном отжиге для снижения содержания водорода в деталях и конструкциях до безопасного уровня, при котором не развивается водородная хрупкость в процессе их эксплуатации. Ввиду необычно высокой диффузионной подвижности водород является единственным легирующим элементом, позволяющим осуществить эффективное обратимое легирование.

В проведенных ранее исследованиях было показано, что при рациональном выборе легирования и режимов термической обработки расширяются возможности управления процессами выделения и распада водородосодержащих фаз, а, следовательно, получения регламентированной микроструктуры титановых сплавов. За счет этого можно существенно повысить их пластичность, и на 100−200°С снизить температуру горячей деформации, не повышая деформирующие усилия. Поэтому, есть основания полагать, что применение водородной технологии может оказаться эффективным для получения УМЗ структуры в сплавах титана методами пластической деформации в сочетании с обратимым легированием водородом.

Поэтому установление закономерностей влияния водорода на эволюцию структуры в процессе деформации титановых сплавов и последующего обезводороживающего отжига в вакууме является актуальной. Работа выполнена в рамках научной школы, руководимой академиком РАН Ильиным А.А.

Научная новизна.

1. Показано, что в процессе наводороживающего отжига сплавов Ti-6A1 и Ti-6A1−4V с увеличением концентрации водорода и стабилизации (3-фазы первичная о^-фаза обогащается алюминием и при концентрациях водорода 0,5ч-0,9% в решетке первичной а1 -фазы происходит упорядочение по типу ТлзА1 с образованием (а+аг) структурной составляющей.

2. Установлено, что находящийся в аи (3-твердом растворе водород вызывает твердорастворное упрочнение аи (3- фаз и тем самым повышает сопротивление деформации сплавов в однофазном состоянии.

3. Установлено, что сопротивление пластической деформации водородосодержащих сплавов Ti-6A1 и Ti-6A1−4V в верхней части двухфазной а+Р" области понижается с увеличением количества фазы и дроблением пластин афазы, вследствие протекания а-«р~ превращения в процессе наводороживания.

4. Показано, что сформированная в процессе вакуумного отжига при 700 °C в водородосодержащих катаных полосах из сплавов Ti-6A1 и Ti-6A1−4V структура, содержащая а-зерна размером около 3 мкм (Ti-6A1) и частицы а-фазы размером меньше 1 мкм (Ti-6A1−4V), обеспечивает повышение прочностных характеристик на 10−25% при сохранении удовлетворительной пластичности.

Практическая значимость работы.

1. Получены экспериментальные данные о влиянии водорода, температуры испытаний и скорости деформации на пластичность и сопротивление деформации асплава Ti-6A1 и а+Рсплава Ti-6A1−4V, установлены интервалы температур и концентраций водорода (0,3−0,5% для сплава Ti-6A1 и 0,2−0,3% для сплава Ti-6A1−4V), обеспечивающие максимальное снижение деформирующих усилий. Установлены температурно-концентрационные интервалы недопустимой, ограниченной и высокой пластичности сплавов.

2. Разработаны режимы прокатки и вакуумного отжига заготовок из сплавов Ti-6A1 и Ti-6A1−4V, легированных водородом, позволяющие получать субмикрокристаллическую структуру с размером зерна афазы 0,60,9 мкм и повышенными свойствами при нормальной температуре. Разработанные режимы прокатки и вакуумного отжига листовых заготовок из сплава Ti-6A1−4V были использованы Фондом «МиТОМ» при создании водородной технологии производства листов с субмикрокристаллической структурой из этого сплава.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. Исследовано влияние водорода на формирование фазового состава и структуры сплавов Ti-6Al и Ti-6A1−4V. Показано, что в процессе изотермической выдержки и последующего охлаждения с температуры наводороживающего отжига стабилизированная водородом (3- фаза, претерпевает в процессе охлаждения эвтектоидное (3->а+5 превращение, а первичная а1- фаза обогащается алюминием так, что при содержании водорода 0,5−0,9% происходит её частичное упорядочение с образованием а, 2- фазы.

2. По результатам испытаний на сжатие сплавов TI-6A1 и Ti-6A1−4V, легированных водородом, в интервале температур 400°-1050°С определены температурно-концентрационные интервалы, обеспечивающие максимальное снижение деформирующих усилий и установлены основные факторы, определяющие в процессе пластической деформации упрочнение и разупрочнение аи (3- фаз. Установлены температурно-концентрационные интервалы недопустимо низкой, ограниченной и высокой пластичности сплавов.

3. Установлено, что фазовый состав и морфология структурных составляющих катаных заготовок асплава Ti-6Al определяются начальной концентрацией водорода в заготовках и температурой вакуумного отжига. Показано, что в процессе наводороживающего отжига с повышением концентрации водорода первичная а1- фаза обогащается алюминием вплоть до образования а2-фазы, а при последующем вакуумном отжиге при 600 °C происходит образование обедненной алюминием дегазированной адегфазы и измельчение структурных составляющих. С повышением температуры вакуумного отжига до 700 °C происходит выравнивание содержания алюминия по объему а-фазы и некоторое укрупнение а-зерна.

4. Проведено сравнение закономерностей формирования фазового состава и структуры в однофазном асплаве Ti-6A1 и двухфазном а+Р-сплаве Ti-6A1−4V при идентичных режимах обработки. Показано, что в структуре листов, полученных прокаткой водородосодержащих заготовок из сплава Ti.

6A1−4V при температуре 700 °C и вакуумным отжигом при 600 °C, происходит менее интенсивное обогащение первичной а!-фазы алюминием. При этом наблюдается увеличение концентрации водорода, необходимой для образования оь-фазы с 0,5% для сплава Ti-6A1 до 0,7% для сплава Ti-6A1−4V.

5. Показано, что в а-сплаве Ti-6A1 уровень прочностных и пластических характеристик при нормальной температуре определяется структурным упрочнением, т. е. размером азерна, а образование гетерофазной структуры с выделением а2-фазы несмотря на дальнейшее измельчение структуры приводит к снижению прочности вследствие обеднения аматрицы алюминием. В а+Рсплаве Ti-6A1−4V наблюдается аналогичная зависимость, однако наличие в структуре стабилизированной ванадием более прочной Р-фазы обусловливает более высокие значения прочности по сравнению со сплавом Ti-6A1 без снижения пластичности.

6. Исследовано влияние размера азерна на механические свойства катаных прутков из сплава Ti-6A1 при температурах 20°-750°С.Установленно, что в интервале температур 20°-550°С наблюдается зависимость: чем меньше размер зерна, тем выше значения предела прочности, а при температурах испытаний 600°-750°С, т. е. вблизи температуры начала рекристаллизации а-фазы, зависимость меняется, и предел прочности уменьшается с уменьшением величины зерна.

7. Разработанные научные положения и практические рекомендации использованы Фондом МиТОМ при создании новой водородной технологии производства листов с субмикрокристаллической структурой из сплава ВТ6 (Ti-6A1−4V).

1.5.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ПО ЛИТЕРАТУРНОМУ ОБЗОРУ, ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Титан и его сплавы давно стали одними из основных конструкционных материалов для высокотехнологичных отраслей промышленности, таких как авиация, космонавтика, судостроение и т. д. Во многом это произошло благодаря их высоким удельным характеристикам и, прежде всего, удельной прочности, высокой коррозионной прочности и жаропрочности. Титановые сплавы относятся к труднодеформируемым материалам и обладают недостаточной технологической пластичностью. К настоящему времени заложены основы металловедения, металлургических и машиностроительных производства полуфабрикатов и изделий из титановых сплавов. Традиционные способы деформированных полуфабрикатов уже не отвечают требованиям времени как по технико-экономическим показателям производства и в большинстве случаев по уровню эксплуатационных свойств готовых изделий.

В последние годы разрабатываются различные способы деформационной обработки, основанные на применение больших пластических деформаций при пониженных температурах, позволяющие получить субмикрокристаллическую и нанокристаллическую структуры. Между тем необходимость проведения обработки при пониженных температурах неизбежно приводит к росту деформирующих усилий, снижению пластичности, многопереходности, усложнению технологической оснастки, снижению номенклатуры получаемых полуфабрикатов.

С 70-х годов прошлого столетия в России и за рубежом ведутся разработки водородной технологии титановых сплавов. Легирование титановых сплавов водородом сопровождается существенным изменением объемного соотношения и химического состава фаз, измельчением структурных составляющих. Однако до некоторого времени использование водородной технологии были направлены, прежде всего, на формирование необходимых форм и размеров полуфабрикатов. Вопросам структурообразования и влияния структуры и фазового состава на технологические свойства и формированию регламентированной структуры для повышения комплекса эксплуатационных свойств уделялось значительно меньше внимания.

Поэтому цель данной работы состояла в установлении закономерностей влияния дополнительного легирования водородом на формирование фазового состава и структуры сплавов Ti-6A1 и Ti-6A1−4V в процессе пластической деформации и последующего вакуумного отжига и определении на этой основе оптимальных температурно-концентрационных условий обработки, обеспечивающих получение из них катаных полуфабрикатов с заданной структурой и повышенным уровнем механических свойств при нормальной температуре.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

— изучить влияние дополнительного легирования водородом на формирование фазового состава и структуры сплавов Ti-6A1 и Ti-6A1−4V;

— установить закономерности влияния температуры испытаний и скорости деформации на пластичность и сопротивление деформации водородосодержащих сплавов Ti-6A1 и Ti-6A1−4V при испытаниях, на сжатие в а-, а+Ри Робласти;

— определить оптимальные значения температур и концентраций водорода, обеспечивающих получение катаных заготовок из сплавов Ti-6A1 и Ti-6A1−4V;

— исследовать закономерности формирования фазового состава и структуры водородосодержащих заготовок сплавов Ti-6A1 и Ti-6A1−4V при последующем вакуумном отжигеоценить влияние размера структурных составляющих на механические свойства полученных прокаткой заготовок из сплавов Ti-6A1 и Ti-6A1−4V, дополнительно легированных водородом и подвергнутых вакуумному отжигу при температурах 600° и 700 °C.

ГЛАВАII. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ В настоящей работе в качестве объектов исследования были выбраны а-титановый сплавы Ti-6A1 и а+|3-титановый сплав Ti-6A1−4V. Исследования проводили на образцах, вырезанных из прутков и листовых полуфабрикатов, химический состав которых приведен в таблице 2.1.