Обоснование и разработка водородной технологии производства деформированных полуфабрикатов из титановых сплавов Овчинников, Алексей Витальевич

Введение к работе

Актуальность проблемы

Сплавы на основе титана занимают достойное место в ряду конструкционных и жаропрочных материалов благодаря высокому комплексу механических свойств и отличной коррозионной стойкости. Это предопределяет интерес к ним не только авиа-, ракето-, судостроительных отраслей промышленности, но и медицины и автомобилестроения. Однако, несмотря на огромные потенциальные возможности титановых сплавов, их применение в изделиях новой техники недостаточно широко. Это обусловлено высокой стоимостью традиционных технологий производства полуфабрикатов и изделий, а также необходимостью использования сложного энергоемкого оборудования. Поэтому разработка и внедрение инновационных технологий обработки титановых сплавов, позволяющих повысить выход годной продукции, расширить номенклатуру полуфабрикатов и изделий, снизить энергоёмкость, несомненно, является актуальной задачей модернизации промышленности.

За последние 30 лет значительный прогресс был достигнут в области водородных технологий титановых сплавов (ВТТС). Большой объём теоретических и прикладных исследований по отдельным направлениям ВТТС, выполненных как за рубежом (U. Zwicker, W.R. Kerr, F. H. Froes, O. Senkov и др.), так и российскими учёными (Колачёв Б.А., Ильин А.А., Носов В.К., Полькин И.С., Попов А.А. и др.) и обобщенный в материалах международных конференций по титану и монографиях обоснованно подтверждает инновационный статус ВТТС.

Наиболее глубокие исследования проблем, связанных с реализацией ВТТС, и их решений в последние 20 лет в России были выполнены специалистами МАТИ - членами научной школы академика РАН Ильина А. А. в содружестве с отраслевыми институтами авиационной промышленности (ВИЛС, ВИАМ, НИАТ, НИИД, НИИСУ). В работах Ильина А. А., Коллерова М.Ю., Мамонова А.М., Скворцовой С.В. были разработаны основные аспекты базовой составляющей ВТТС - термоводородной обработки (ТВО). Успехи, достигнутые в этом направлении, систематизированы в монографии «Водородная технология титановых сплавов», в которую вошли и результаты научных исследований автора данной диссертации. Значительный вклад в разработку научно-практических основ реализации ВТТС в процессах обработки металлов давлением внесли работы, выполненные под руководством профессора Носова В.К. Базирующиеся на комплексном анализе взаимосвязи между водородным легированием и металлофизическими процессами, протекающими в деформируемом металле, они позволили обосновать технологические режимы использования водородного пластифицирования в процессах получения деформированных полуфабрикатов из титановых сплавов.

Исследования водородной хрупкости титановых сплавов, проведённые под руководством профессора Колачёва Б. А. в 60-80-х годах прошлого века, решали проблемы традиционных технологий обработки, а ВТТС совершала первые шаги на пути своего становления. Однако результаты этих исследований заложили прочный фундамент в основание ВТТС, сформировавшейся как научное направление лишь в конце 20 века. Это объективно свидетельствует о том, что разработка и внедрение ВТТС являются неизбежным этапом на пути инновационного развития отечественных металлургической и машиностроительной отраслей промышленности.

К настоящему времени результаты теоретических и прикладных исследований в области ВТТС, а также опыт практического применения операций легирования водородом и вакуумной дегазации позволили реализовать в промышленных условиях базовую составляющую ВТТС - термоводородную обработку, включающую операции наводораживания, термообработки и вакуумного отжига. Успехи, достигнутые ЗАО «Имплант МТ» в направлении использования ТВО для производства медицинских имплантатов, при данном технологическом уровне производства, вполне могут быть тиражированы на предприятиях различных отраслей.

Следующим качественным скачком в направлении развития ВТТС должно стать промышленное освоение водородной технологии производства деформированных полуфабрикатов из титановых сплавов с заданным уровнем свойств. Многие вопросы, связанные с определением общих закономерностей влияния водорода на технологические свойства титановых сплавов и с поиском оптимальных температурно-концентрационных режимов деформации, обеспечивающих формирование требуемой структуры и свойств, остаются открытыми. Актуальность решения этих проблем очевидна и объективно обусловлена тем, что процесс разработки новых сплавов на основе титана в рамках известных классов далеко незавершён.

Цель работы состояла в разработке научных принципов и обосновании параметров водородных технологий производства деформированных полуфабрикатов из титановых сплавов разных классов, обеспечивающих заданный комплекс свойств, на основе установления закономерностей влияния фазового состава и структуры, формирующихся водородным легированием, на технологические и механические свойства.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

На основании результатов исследований модельных титановых сплавов установить общие для каждого класса закономерности влияния фазового состава и структуры на свойства, определяющие технологичность в операциях обработки металлов давлением.

Разработать научно обоснованную реологическую модель деформационного поведения водородсодержащих титановых сплавов разных классов в характерных фазовых областях.

Провести оценку эффективности ВТТС на примере исследования деформационных свойств промышленных и опытных титановых сплавов разных классов, легированных водородом, и на её базе обосновать критерии выбора оптимальных параметров реализации ВТТС для производства деформированных полуфабрикатов.

Разработать технологические схемы реализации ВТТС в рамках промышленного производства деформированных полуфабрикатов из титановых сплавов.

Обосновать технические параметры вакуумно-водородных систем, обеспечивающих выполнение операций легирования водородом и дегазации.

Исследовать влияние ВТТС на механические свойства полуфабрикатов и изделий из промышленных и опытных титановых сплавов.

Разработать комплексные водородные технологии получения деформированных полуфабрикатов из титановых сплавов, обеспечивающие получение необходимого комплекса технологических и эксплуатационных свойств.

Научная новизна состоит в следующем:

1. 1. На основании результатов комплексных исследований водородсодержащих титановых сплавов Ti (ВТ 1-00), Ti-6Al и Ti-6Al-4V (ВТ6), последовательно отличающихся друг от друга системами легирования, определены базовые закономерности влияния водородного легирования на деформационное поведение титановых сплавов разных классов. Установлена тесная взаимосвязь между качественным и количественным фазовым составом водородсодержащих титановых сплавов и динамикой изменения сопротивления деформации в широком температурном интервале.

   2. Установлено, что легирование водородом технического титана ВТ 1-00 ослабляет влияние динамического деформационного старения, характерного для нелегированных металлов. Атомы водорода, обладающие высокой диффузионной подвижностью в кристаллической решётке титана, образуют атмосферы вокруг новых дислокаций, блокируя формирование вокруг них атмосфер существенно менее подвижных примесных атомов кислорода, углерода и азота. Результатом действия этого механизма является снижение сопротивления деформации а-титана с увеличением концентрации водорода в широком температурном диапазоне 200 800С. Эффект проявляется в пределах а-области на установившейся стадии пластического течения при температурах ниже 500С, что соответствует условиям конденсации водорода на дефектах кристаллического строения.

   3. Исследовано влияние химического состава в-твёрдого раствора титана на интенсивность его растворного упрочнения водородом. На основании анализа экспериментальных данных установлено, что по сравнению со степенной экспоненциальная зависимость более адекватно отражает растворное упрочнение водородом в-титана с достоверностью аппроксимации не хуже R =0,9978. Показано, что увеличение степени легированности в-твёрдого раствора как а- так и в- стабилизаторами однозначно сопровождается усилением растворного упрочнения водородом.

   4. На основании совместного анализа зависимостей фазового состава, степени легированности фаз и сопротивления деформации от содержания водорода установлены фундаментальные закономерности деформационного поведения водородсодержащих титановых сплавов в двухфазной (а+в)-области. В этих 6 условиях влияние водорода существенно выше, чем в однофазных а- и в-областях. Установлено, что в (а+в)-области основными факторами влияния являются соотношение прочностей совместно деформирующихся а- и в-фаз и их объёмное соотношение, при этом увеличение объёмной доли в-фазы во всех случаях усиливает деформационное разупрочнение.

   5. На основе анализа количественного фазового состава и напряжений течения водородсодержащих сплавов в температурном диапазоне (а+в)-области предложено структурно компенсированное правило смесей в виде

   q(a+P) = (Па-qa + Пр^р)-(І-Ю-Па-Пр), где п_а, Ир, q_a, qp - соответственно объемные доли и напряжения течения фаз; ю - коэффициент, обратно пропорциональный параметру Зинера - Холомона Z = s-exp(Q/RT). Показано, что температурные зависимости коэффициента ю для а- сплавов ВТ 1-00 и Ti-6Al в интервале 500^900С подчиняются единой закономерности, что подтверждает работоспособность структурно компенсированного правила смесей. Предложенный вид правила смесей адекватно отражает напряжения течения исследованных водородсодержащих сплавов в (а+в)- области с погрешностью, не превышающей (7^8)% для технического титана ВТ 1-00 и Ti-6Al и 12% для сплава ВТ6.

   1. 6. Разработана реологическая модель деформационного поведения водородсодержащих титановых сплавов в зависимости от качественного и количественного фазового состава при температурах выше 600С, включающая в себя:

      в а-области: разупрочнение нелегированного титана за счёт ослабления динамического деформационного старения и растворное упрочнение водородом а-фазы сплава Ti-6Al;

      в (а+в)-области: экстремальную зависимость сопротивления деформации от концентрации водорода и объёмного соотношения фаз, выражаемую структурно компенсированным правилом смесей, с минимумом, положение которого зависит от системы легирования сплава.

      в в-области: упрочнение в-твёрдого раствора водородом, выражаемое экспоненциальной зависимостью, интенсивность которого прямо

      пропорциональна содержанию водорода и степени легированности сплава и обратно пропорциональна температуре деформации.

      Для условий холодной деформации высокопрочных титановых сплавов переходного класса установлено, что в закалённом состоянии основным механизмом влияния водорода является повышение устойчивости Р-фазы к мартенситному превращению в процессе деформации с увеличением содержания водорода. Переход от мартенситного механизма к скольжению в однофазной Р- структуре способствует снижению усилий деформирования и повышению пластичности. Влияние водорода на сопротивление деформации и пластичность отожжённых сплавов определяется результатом конкуренции противоположных факторов: повышения дисперстности а-фазы, вызывающего упрочнение и снижение пластичности; уменьшения степени легированности в-фазы элементами замещения из-за роста её объёмной доли, обеспечивающего снижение сопротивления деформации и рост пластичности. Первый преобладает при содержании водорода менее 0,15% (здесь и далее масс. %), второй при легировании сплавов 0,3%Н и более.

      Установлено, что характер влияния водорода на сопротивление деформации псевдо-а и (а+Р)-сплавов при температурах ниже 500^600С определяется объёмной долей в-фазы и степенью её легированности. На примере сплава ВТ20 показано, что для псевдо-а сплавов определяющую роль играет увеличение объёмной доли в-фазы (более прочной при этих температурах), что приводит к увеличению прочности наводороженного сплава. Для (а+в)-сплавов ( на примере ВТ25У) наибольшее влияние имеет снижение степени легированности в-фазы, поэтому наблюдается снижение сопротивления деформации наводороженного сплава.

      Для условий горячей деформации установлено, что степень легированности сплава в - стабилизаторами существенным образом определяет эффект от легирования водородом в области низких скоростей деформации (около 10^-4 с^-1), близких к скоростям ползучести. Упрочнение при легировании водородом сплава ВТ25У наблюдается уже при температурах двухфазной (а+в) - области водородсодержащего сплава, тогда как для сплава ВТ20 с меньшим содержанием в - стабилизаторов аналогичное явление имеет место лишь в в - области.

      10. Установлено, что для титановых сплавов с интерметаллидным упрочнением Ti₃Al в двухфазных (а+в)- и (а₂+в)-областях характер изменения сопротивления деформации с ростом содержания водорода зависит от интенсивности увеличения объёмной доли в-фазы. При концентрации водорода (С_Н) менее 0,3% рост объёмной доли в-фазы опережает её растворное упрочнение водородом, поэтому сопротивление деформации быстро снижается. При С_Н>0,3% напротив, из-за снижения интенсивности увеличения объёмной доли в-фазы преобладает её растворное упрочнение водородом, и снижение напряжений течения с ростом СН замедляется.

      Практическая значимость работы:

      1. Определены оптимальные температурно-концентрационные параметры использования водородного пластифицирования (ВП) в технологиях производства деформированных полуфабрикатов из сплавов разных классов. Установлены области наиболее эффективного применения ВП:

      В технологических процессах холодной ОМД водородное пластифицирование целесообразно для повышения пластичности и снижения сопротивления деформации высокопрочных титановых сплавов переходного класса типа ВТ22, ВТ22И, Ti-10-2-3. Модификация фазового состава сплавов путём водородного легирования в этих условиях обеспечивает улучшение таких специфических показателей технологичности для листовой штамповки, как коэффициенты вытяжки и отбортовки, минимальный радиус гибки. Показано повышение эффективности использования ВП при производстве листовых полуфабрикатов и изделий, полученных из них листовой штамповкой.

      В процессах, основанных на тёплой деформации и характеризующихся неполным протеканием динамической рекристаллизации, использование ВП оправдано в целях повышения технологической пластичности труднодеформируемых псевдо-а и (а+в)-сплавов типа ВТ20 и ВТ25У. Повышение объёмной доли пластичной в-фазы с одновременным снижением степени её легированности и облегчением протекания динамической рекристаллизации позволяет значительно повысить предельную степень деформации без промежуточных отжигов и увеличить производительность, например, тёплой листовой прокатки.

      В технологических процессах горячей деформации промышленных жаропрочных титановых сплавов и высокожаропрочных сплавов с интерметаллидным упрочнением применение ВП обеспечивает уменьшение объёмной доли труднодеформируемых а- и а₂-фаз и смещение объёмного фазового соотношения в пользу высокопластичной в-фазы. В совокупности с увеличением полноты протекания динамической полигонизации и рекристаллизации это позволяет, например, снизить температуру традиционной изотермической штамповки на 100 120С и применять в качестве материала штампов более технологичные деформируемые или порошковые сплавы на никелевой основе взамен труднообрабатываемых литейных. Водородное пластифицирование высокожаропрочных титановых сплавов с интерметаллидным упрочнением и сплавов на основе а₂-фазы переводит их по технологичности в разряд промышленных жаропрочных деформируемых титановых сплавов.

      Определено место водородной технологии в технологической схеме изготовления деформированных изделий из титановых сплавов. Предложены 4 варианта использования ВТТС, отличающиеся широтой охвата операций общей технологической схемы: короткий, средний, длинный и сквозной циклы. Проведён анализ возможностей реализации этих вариантов в современных условиях технической и технологической оснащённости производства.

      На основании анализа характеристик и конструкции существующих вакуумных печей сформулированы требования к проектированию промышленных вакуумно-водородных установок (ВВУ), предназначенных для легирования водородом заготовок из титановых сплавов. На базе сформулированных требований разработана конструкция ВВУ средней мощности и изготовлен рабочий экземпляр установки, обеспечивающий производительность 6800 кг титановых заготовок в год. Впервые определена себестоимость наводороживающего отжига в промышленных условиях, не превышающая 350 руб./кг.

      4. Разработаны и опробованы в лабораторных и опытно-промышленных условиях водородные технологии холодной листовой прокатки и холодной листовой штамповки изделий из высокопрочных титановых сплавов ВТ22 и ВТ22И, тёплой листовой прокатки жаропрочных титановых сплавов ВТ20 и ВТ25У, горячей прокатки фольги из сплава на основе интерметаллида Ti₃Al, выдавливания фасонных заготовок из сплавов ВТ20 и ВТ25У, изотермической штамповки заготовок лопаток и дисков компрессора ГТД из сплава ВТ20. Предложенные водородные технологии обеспечивают повышение производительности, выхода годного, дают возможность изготовления новых видов деформированных полуфабрикатов из титановых сплавов, позволяют снизить затраты на изготовление инструмента и оснастки, формируют заданный уровень технологических и эксплуатационных свойств.

      Апробация работы. Материалы диссертации были доложены на 6 Международных и Российских научно-технических конференциях, в том числе: VIII Всемирная конференция по титану (Бирмингем, Англия, 1995), Международный Аэрокосмический Конгресс «Теория, применения, технологии» IAC (Москва, 1994, 2000), Международная конференция «Титан в СНГ» (Москва 1994, С.-Петербург 2004, Киев 2005, Ялта 2007, С.-Петербург 2008), Международная конференция «Водородная обработка материалов» ВОМ (Донецк 1998, 2001, 2004), Всероссийская научно-техническая конференция «Новые материалы и технологии НМТ» (Москва 2000, 2002, 2004, 2006), Научно-практическая конференция «Титан: состояние и перспективы развития металловедения и технологий» (Москва, 2007).

      Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 51 работе, в том числе в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией - 22, защищены 1 патентом Российской Федерации. Список работ, в которых отражено основное содержание диссертации, приведён в конце автореферата.

      Структура и объём диссертации. Диссертация изложена на 312 страницах машинописного текста и состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы из 158 наименований и приложения, содержит 220 рисунков и 34 таблицы.

      Похожие диссертации на Обоснование и разработка водородной технологии производства деформированных полуфабрикатов из титановых сплавов

      

      Разработка и обоснование технологии жидкофазного синтеза и легирования композиционных материалов на основе железа с пропиткой борсодержащими эвтектическими сплавамиГурдин, Виктор Иванович

      Научное обоснование и разработка технологии программной деформационно-термической обработки стальных изделий в условиях горячей объемной штамповкиРадкевич, Михаил Михайлович

      

      Разработка научных основ технологии производства длинномерных композиционных сверхпроводящих материалов для магнитных системЛатышева Татьяна Вячеславовна

      

      Разработка методов оценки качества шкурок шиншилл и совершенствование процессов их производстваНовиков, Михаил Вячеславович

      

      Разработка метода проектирования устойчивости кулирного трикотажа к образованию пиллинга и истиранию на стадии технологической подготовки производстваКоробкова Анна Александровна

      РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА АНАЛИЗА И КОНТРОЛЯ СВОЙСТВ АРАМИДНЫХ НИТЕЙ, ВОЛОКОН, ПЛЕНОК ПРИ ПРОИЗВОДСТВАХ ТЕКСТИЛЬНЫХ АРАМИДНЫХ МАТЕРИАЛОВШаблыгин Максим Маратович

      

      Влияние технологии выплавки и обработки давлением на структуру и свойства полуфабрикатов из сплавов на основе никелида титанаАлександров, Андрей Валентинович

      

      Структура и свойства трубных полуфабрикатов из циркониевого сплава Э110 после радиальной ковкиЗаводчиков, Александр Сергеевич

      Повышение комплекса физико-механических свойств полуфабрикатов из малолегированного алюминиевого сплава Сухоруков Георгий Иванович

      Влияние прессования с малой вытяжкой и увеличенной сдвиговой деформацией на структуру и свойства полуфабрикатов из алюминиевых и магниевых сплавовМеркулова, Светлана Михайловна