Влияние термоводородной обработки на структуру и свойства псевдо- титановых сплавов с интерметаллидным упрочнением Гришин, Олег Артурович

Введение к работе

Актуальность проблемы. Одними из наиболее перспективных металлических материалов, используемых в качестве жаропрочных, являются титановые сплавы, обладающие высокой удельной прочностью при нормальной и повышенных температурах. Интенсивные научные исследования в области создания новых жаропрочных титановых сплавов на основе традиционных систем легирования, технологий их получения и обработки проводятся в России, США, Великобритании, Японии и др. странах. Однако лучшие из разработанных сплавов (ВТ18У. ВТ25У, ВТ36, ІМІ 834, ТІ-І100 и др. ) не обеспечили кардинального повышения уровня рабочих характеристик. Максимальные температуры длительной эксплуатации этих сплавов не превышают 500-550С, а комплекс свойств при более высоких температурах не удовлетворителен. Одной из главных проблем, связанных с надежностью эксплуатации таких сплавов, является проблема термической стабильности, решить которую традиционными способами термической или термомеханической обработки не удается.

В качестве упрочняющей фазы в жаропрочных сплавах на основе титана может быть использован интерметаллид Ті₃А1(аг). Однако вплоть до настоящего времени присутствие этой фазы в структуре сплавов считалось неприемлемым, т.к. именно с ее выделением в процессе эксплуатации при температурах 500-600С связано понижение термической стабильности и охрупчивание сплавов. Поэтому наиболее жаропрочные сплавы псевдо-а и а+р классов содержат не более 7% алюминия, т.е. не выше предела его растворимости в ct-титане. Таким образом интервал концентраций алюминия от 7 до 15% в плане создания более жаропрочных сплавов остается практически не изученным. В то же время очевидно, что сплавы на основе а-фазы с упрочнением а^ -фазой могли бы наиболее эффективно использоваться в интервале рабочих температур от 550 до 700С, перекрывая таким образом температурный интервал эксплуатации между сплавами на основе титана и его алюминидов. Поэтому актуальным является поиск новых технологических процессов обработки жаропрочных титановых сплавов, которые позволили бы решить указанные проблемы.

Одним из эффективных способов управления структурой спла-

_ 4 -

вов на основе титана с целью повышения комплекса механических и эксплуатационных свойств является термоводородная обработка (ТВО). Более широкие возможности ТВО в плане создания оптимальных, а иногда и уникальных структур в титановых сплавах связаны с изменением состава сплава в процессе его обработки, сочетающей термическое воздействие с обратимым легированием водородом. К настоящему времени уже получены положительные результаты при использовании ТВО для повышения комплекса свойств литых и деформированных полуфабрикатов титановых сплавов различных классов. Поэтому разработка технологии ТВО жаропрочных титановых сплавов, направленной на повышение их термической стабильности, является актуальной научной и практической задачей. Ее решение позволит увеличить ресурс работы лучших промышленных сплавов, к которым относится сплав ВТ18У. откроет перспективы использования титановых сплавов с интерметаллидным упрочнением, температура эксплуатации которых на 100-150С выше, чем у современных отечественных и зарубежных жаропрочных сплавов на основе титана.

Термоводородная обработка титановых сплавов с высоким содержанием алюминия может быть эффективна и для получения максимального упрочнения при нормальной температуре. Это особенно актуально для экономнолегированных. сравнительно недорогих термически неупрочняемых сплавов псевдо-а класса. Решение задачи достижения максимальной твердости деформированных полуфабрикатов этих сплавов (например, ВТ20) позволит эффективно использовать их для изготовления броневой защиты летательных аппаратов.

Цель работы состояла в установлении закономерностей формирования фазового состава и структуры сплавов на основе титана с повышенным содержанием алюминия (ВТ18У. ВТ20) и опытного сплава Т1-9А1-2Мо с интерметаллидным упрочнением при обратимом легировании водородом и в разработке на этой основе режимов термоводородной обработки, направленных на повышение термической стабильности сплавов Т1-9А1-2Мо и ВТ18У и получение максимальной твёрдости деформированных полуфабрикатов из сплава ВТ20.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- изучить влияние водорода на фазовый состав и структуру сплавов при различных температурах, а также при различных видах

термического воздействия;

исследовать механизм и кинетику процесса образования Ог-фазы. приводящего к снижению термической стабильности, в различных исходных структурах сплавов с повышенным содержанием алюминия;

разработать режимы термоводородной обработки серийного жаропрочного сплава ВТ18У и модельного сплава Т1-9А1-2МО. обеспечивающие их термическую стабильность при температурах до 600С;

разработать режимы термоводородной обработки деформированных листовых полуфабрикатов из сплава ВТ20, обеспечивающие их максимальную твердость.

Научная новизна работы.

1. Установлено, что причиной снижения термической стабильности (охрупчивания) жаропрочного сплава Т1-9А1-2МО является выделение и увеличение количества мелкодисперсной когерентной Ог-фазы (твердого раствора на основе Т1₃А1) по всему обьему зерен а-фазы. наиболее интенсивно протекающее при температурах 600 С и выше. Когерентная 0/-граница сохраняется при этой температуре в течение, по крайней мере. 100-часовой выдержки, что приводит к непрерывному росту упругих межфазных напряжений и снижению пластичности и ударной вязкости сплава. Процесс упорядочения и увеличения количества а-,-фазы продолжается непрерывно в течение исследованной 300-часовой выдержки.

2. Определен фазовый состав сплава Т1-9А1-2Мо, содержащего от 0,003 до 1,2 % (по массе) водорода при температурах от 20 до 1100С. Показано, что легирование водородом до 1.2 % непрерывно снижает температуру a+fJ/fJ-перехода на 330 С, сужает (<х+Р)-фазо-вую область, в которой a-фаза имеет полностью неупорядоченную структуру, и приводит к увеличению объемной доли Ог-фазы при температурах (a+p+a-,) -области. При концентрациях водорода более 0.4 % в сплаве реализуется эвтектоидное p-*a+Tf превращение с выделением у-фазы на основе гидрида титана.

3. Установлено, что в сплавах ВТ18У и ВТ20, легированных алюминием по верхнему пределу марочного состава (до 7.1 и 7.0 X. соответственно), введение водорода до концентраций 0.3 и 0,4 %

приводит к образованию в сс-фазе упорядоченных микрообъемов (0.-фазы). При концентрациях водорода более 0,4 % в обоих сплавах протекает эвтектоидный распад р-фазы с выделением гидрида.

4. Построены диаграммы "фазовый состав-концентрация водо-рода-температура нагрева под закалку" для сплавов Т1-9А1-2М0. ВТ18У и ВТ20 и диаграммы "фазовый состав-скорость охлаждения--концентрация водорода" для сплавов ВТ18У и ВТ20. Показано, что введение водорода приводит к снижению критической температуры и критических скоростей охлаждения сплавов. Установлено, что при закалке всех исследованных сплавов из (а+Р)-области не удается подавить эвтектоидный распад р-фазы при концентрации водорода более 0,6 %. При содержании водорода более 0.8 % во всех сплавах, охлаждаемых из р-области со скоростями 3-6 К/с (на воздухе) фиксируется однофазная р-структура.

5. Построена диаграмма изотермических превращений в закаленном из р-области сплаве ВТ20 с 0,8 % водорода в интервале температур от 300 до 700С. Показано, что в интервале температур 400-600 С распад р-фазы начинается с выделения а-фазы и завершается формированием (a+Og+P) -структуры. При температурах ниже 400С реализуется эвтектоидный распад р-фазы (р-^а+то с последующим выделением Ог-фазы.

6. Установлено, что при насыщении сплава Т1-9А1-2М0 водородом до концентрации 0,6-0,8 Ж. проводимом в (а+Р)-области, и последующем вакуумном отжиге при температуре 650-700С формируется бимодальная структура с двумя структурными составляющими a-фазы, имеющими различную концентрацию А1 и Мо и размеры. Процессы упорядочения в такой структуре протекают только в обогащенной А1 (до 12 %) первичной a-фазе. Более мелкодисперсная вторичная a-фаза с содержанием А1 до 6 % свободна от выделений 0 -фазы.

7. Определены характеристики жаростойкости сплавов Т1-9А1-2М0 и ВТ18У при температурах 600-700 С (скорости окисления, глубина диффузионной зоны). Термоводородная обработка существенно не влияет на жаростойкость обоих сплавов, несколько снижая скорость окисления и глубину диффузионной газонасыщенной зоны.

Практическая значимость работы.

1. Разработаны режимы термоводородной обработки серийного жаропрочного титанового сплава ВТ18У и опытного сплава Т1-9А1-2М0, направленные на повышение их термической стабильности. Они включают насыщение водородом до 0,8 % по массе при температурах 850-750С (Т1-9А1-2МО) и 750С (ВТ18У). охлаадение до нормальной температуры со скоростью около 5 К/с, вакуумный отжиг при температуре 650С. Разработанные режимы обеспечивают сохранение пластичности и ударной вязкости на удовлетворительном уровне ( 5=7.6%, KCV=0,36 МДж/м² для сплава ТІ-9А1-2МО, 6=8,0%, KCV=0.35 МДж/м² для ВТ18У) после выдержки при температуре 600 С в течение 300 часов (Т1-9А1-2МО) и 400 часов (ВТ18У). Одновременно в результате ТВО на 10-15 % повышаются прочностные свойства обоих сплавов.

2. Разработаны режимы ТВО листовых полуфабрикатов толщиной 2 и 5 мм из сплава ВТ20, направленные на повышение их твёрдости и включающие насыщение водородом до 0,8 % при температуре 750С ((5-область), охлаждение до 20С со скоростью 5 К/с, старение при температуре 450С в течение 5 часов и вакуумный отжиг при 650С до полного удаления водорода. В результате ТВО твёрдость сплава достигает 42 и 50 ед. HRC для 5 и 2 мм листа, соответственно, что на 35-40 % выше, чем у листов, полученных по традиционной технологии.

Практические рекомендации по применению ТВО использованы в ГНЦ ВИАН для совершенствования технологии обработки жаропрочных титановых сплавов, что подтверждено соответствующим актом.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на следующих научно-технических конференциях и семинарах:

3. XI научно-технической конференции молодых ученых и специалистов. (М, МАТИ, 1987);

4. Научно-технической конференции "Прогрессивные технологические процессы термической и химико-термической обработки металлов и сплавов", (НТО Машпром, Ижевск, 1987);

5. Конференции "Современные металлические материалы и прогрессивные способы их обработки", (М, МАТИ, 1988);

6. XVIII, XIX, XX, XXI молодежных научно-технических кон-

ференциях "Гагаринские чтения", (М, МАТИ, 1992, 1993. 1994. 1995);

5. 1 международном семинаре "Металл-водород-92", (Донецк. 1992);

6. Российских научно-технических конференциях "Новые материалы и технологии машиностроения". (М. МАТИ, 1992, 1994);

7. I и II научно-технических семинарах "Водород в металлических материалах". (М, МГАТУ. 1993. 1994).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 12 работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов по работе и списка использованной литературы из 140 наименований. Изложена на 215 страницах машинописного текста, содержит 80 рисунков и 19 таблиц.

Похожие диссертации на Влияние термоводородной обработки на структуру и свойства псевдо- титановых сплавов с интерметаллидным упрочнением

Формирование фазового состава, структуры и свойств жаропрочных титановых сплавов с интерметаллидным упрочнением при термоводородной обработкеКусакина, Юлия Николаевна

Влияние высокотемпературной обработки расплава на структуру и свойства высокоуглеродистых сплавов железа Савина Лидия Геннадьевна

Влияние высокотемпературной обработки расплава на структуру и свойства жаропрочных никелевых сплавов в литом и термообработанном состоянияхТягунов, Андрей Геннадьевич

Влияние термической и термомагнитной обработок на свойства и структуру высокодемпфирующих сплавов Fe-Cr, Fe-AlМельчаков, Михаил Александрович

Закономерности влияния термомагнитной обработки на демпфирующие, магнитные свойства и структуру демпфирующих сплавов железа с магнитомеханическим затуханием Скворцов Алексей Александрович

Влияние легирования, технологий литья и термической обработки на структуру и свойства интерметаллидных сплавов на основе никеляАргинбаева Эльвира Гайсаевна

Влияние термоводородной обработки на формирование структуры и комплекс механических свойств жаропрочного титанового сплава Ti-8,3Al-2,1Mo-2,2Zr-0,2SiГвоздева, Ольга Николаевна

Влияние термической и термомеханической обработки на фазовый состав, структуру и механические свойства полуфабрикатов из титанового сплава ВТ16Степанов, Степан Игоревич

Влияние взрывной и последующей термической обработки на структуру и физико-механические свойства аморфных металлических компактов сплава Fe70 Cr10 P13 C7Минев, Руси Минев

Исследование влияния режимов деформации и термической обработки на структуру, фазовый состав и комплекс механических свойств нового жаропрочного титанового сплава BTIBVОП и разработка металловедческих основ производства штамповок дисков из этого плава для новых авиационных двигателейЛех, Геннадий Иосифович