Введение к работе
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. Ті-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 Ті-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:
-
Исследовать влияние температуры нагрева и скорости охлаждения при высокотемпературной термической обработке и режимов старения на фазовый состав, структуру и свойства сплавов;
-
Установить закономерности влияния водорода на фазовые и структурные превращения и изменение свойств сплавов при высокотемпературной обработке и старении;
-
Исследовать влияние водорода на механизм пластической деформации и формирование структуры и текстуры листовых полуфабрикатов при холодной прокатке;
А. 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 Ті-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 Р-фазы и продуктов ее атермического распада и наибольшее упрочнение сплавов.
-
Показано, что максимальное упрочнение сплавов ВТ22И и Ті-ІО-2-З. легированных водородом, при старении происходит в том случае, когда скорость охлаждения при высокотемпературной обработке, предшествующей старению, выше скорости vj. 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.
-
Показано, что при холодной прокатке водородосодержащих сплавов ВТ22И и Ті-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).
-
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 Ті-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 ' для сплава ВТ22И и 0.35о для сплава Ті-Ю-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 коипеп грация водорода и легирующих ілсмсіпов приведена в пропанах по массе.
-
Разработаны режимы рекрнсталлизационного отжига холоднокатаных листов из сплавов ВТ22И и Ті-Ю-2-З, легированных водородом, включающего нагрев до температуры 600С для сплава ВТ22И и 580С для сплава Ті-10-2-3. выдержку соответственно в течении 3 и 1 часа, что обеспечивает оптимальное состояние структуры перед заключительным вакуумным отжигом.
-
Разработаны режимы вакуумного отжига и последующего старения листов и фольги из сплавов ВТ22И и Ті-10-2-3, обеспечивающие максимальное упрочнение изделий в сочетании с удовлетворительной пластичностью и включающие нагрев в вакууме до температур 800 или 770С (ВТ22И) и 780 или 750С (Ті-10-2-3). выдержку в течение I часа и старение при температуре 450С в течение 10 часов (ВТ22И) и 8 часов (Ті-10-2-3).
-
Разработаны технологические процессы изготовления листовых полуфабрикатов и фольги из высокопрочных титановых сплавов ВТ22И и Ті-ІО-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 (Ті-10-2-3) при удовлетворительной пластичности (5 =5.1-5,3%, ч«=20-28% для сплава ВТ22И; 6=5.1-6.4%. ч/=20-23о для сплава Ті-Ю-2-З). 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 н 4 таблицы.
