Введение к работе
Актуальность проблемы. Создание новых образцов техники, особенно в авиации и космонавтике, возможно только при разработке материалов, обладающих более высоким комплексом физико-механических свойств по сравнению с традиционными материалами.
Одним из таких материалов, обеспечивающих прогресс техники, является титан и сплавы на его основе. Они обладают высоким комплексом механических свойств, низкой плотностью и отличной коррозионной стойкостью, что предопределяет повышенный интерес к ним авиа-, ракето-, судо- и автомобилестроительных отраслей промышленности. Некоторые сплавы на основе титана обладают особыми функциональными свойствами, такими как сверхпроводимость (Ti-40%Nb)* и эффект запоминания формы (Ti-50%Ni), которые используются при создании принципиально новых конструкций техники.
Однако, несмотря на огромные потенциальные возможности титановых сплавов, их использование в новой технике происходит недостаточно широко. Это вызвано высокой стоимостью производства полуфабрикатов и изделий и необходимостью использования сложного энергоемкого оборудования для их получения и обработки.
Изменение сложившейся ситуации возможно при интенсификации исследований
в нескольких направлениях. Во-первых, необходимо создание новых сплавов и
технологических процессов, обеспечивающих значительное повышение комплекса
физико-механических свойств; во-вторых, необходимо создание
экономнолегированных сплавов, которые при сохранении высокого уровня механических и специальных свойств содержат минимум дефицитных элементов; в-третьих, необходима разработка технологических процессов, позволяющих отказаться от сложного и дорогостоящего оборудования и обеспечивающих расширение номенклатуры производимых полуфабрикатов и изделий. Это позволит снизить стоимость готовой продукции из титановых сплавов и повысить их конкурентоспособность по сравнению с алюминиевыми сплавами, сталями и композиционными материалами.
Для достижения практически значимых результатов в указанных направлениях необходимо проведение всесторонних исследований для установления закономерностей влияния металлургических и технологических факторов на структуру и свойства, в том числе специальные, сплавов на основе титана. В последние 20 лет было проведено большое количество исследований по отдельным сторонам этой
' Здесь и далее по тексту содержание легирующих элементов приведено в атомных процентах
проблемы, которые обобщены в материалах мезкдународных конференций по титану и монографиях российских ученых Колачева Б.А., Полькина И.С, Носова В.К., Ильина А.А., Попова А.А. и др. Несмотря на большое количество научных публикаций, многие вопросы по формированию структуры и свойств титановых сплавов остаются открытыми. Это связано как с расширением области применения титановых сплавов, так и с разрабатываемыми в последние годы новыми высокоэффективными технологиями, в частности, термоводородной обработкой, которая позволяет существенно изменять технологические и эксплуатационные свойства титановых сплавов. Ее дальнейшее развитие и перспектива внедрения в промышленность обусловливает повышенный интерес к влиянию водорода на механизмы пластической деформации, фазовых и структурных превращений в титановых сплавах, а также к закономерностям формирования их структуры и свойств при удалении водорода путем термической обработки в вакууме. Существенное влияние водорода на специальные свойства титановых сплавов, такие, как сверхпроводимость, эффект запоминания формы, высокое демпфирование, предопределяет необходимость проведения анализа возможности эксплуатации водородсодержащих сплавов.
Кроме того, еще не исчерпаны потенциальные возможности применяемых в настоящее время титановых сплавов и традиционных методов их обработки. Так, например, не решены проблемы упрочняющей термической обработки крупногабаритных полуфабрикатов из титановых сплавов, которые в основном используются в отожженном состоянии, что не позволяет реализовать весь ресурс прочности конструкционных сплавов. Не определены закономерности проявления эффектов запоминания формы, сверхупругости и демпфирования (а + Р)-титановых сплавов, что не позволяет использовать их взамен дорогостоящих сплавов на основе интерметаллида TiNi.
Поэтому изучение закономерностей влияния системы и степени легирования, параметров пластической деформации и термической обработки на структуру и свойства титановых сплавов с целью разработки оптимальных составов и технологических процессов обработки сплавов, обеспечивающих формирование высокого комплекса технологических и эксплуатационных свойств при снижении затрат на производство и расширении номенклатуры полуфабрикатов и изделий, является актуальной научной проблемой материаловедения, имеющей практическую значимость для многих отраслей машиностроения.
Цель работы. Разработка высокоэффективных технологических процессов получения и обработки полуфабрикатов и изделий из конструкционных и функциональных сплавов титана на основе установления закономерностей влияния химического состава, термической обработки и пластической деформации на механизмы структурообразования и формоизменения.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
установить закономерности влияния системы и степени легирования, режимов высоко- и низкотемпературной термической обработки на формирование фазового состава, структуры и свойства модельных и промышленных сплавов титана;
изучить влияние химического и фазового составов на механизм пластической деформации титановых сплавов при нормальной температуре, формирование структуры и изменение свойств при термической обработке холоднодеформированных сплавов;
определить влияние химического сосгава, структуры, схемы и степени деформации на закономерности проявления эффекта запоминания формы в сплавах на основе титана и разработать технологию их обработки, позволяющую реализовать требуемый уровень специальных свойств и экономически эффективно использовать титановые сплавы в ряде конструкций вместо сплавов на основе никелида титана;
разработать принципы выбора режимов упрочняющей термической обработки высокопрочных титановых сплавов, позволяющие оптимизировать параметры высокотемпературной и низкотемпературной обработки в зависимости от формы и размеров полуфабрикатов и изделий, особенностей применяемого технологического оборудования;
разработать принципы использования водорода в качестве основного легирующего элемента в титановых сплавах функционального назначения (сверхпроводящие сплавы, сплавы, обладающие эффектом запоминания формы, высокой демпфирующей способностью и др.), позволяющего существенно изменять технологические и специальные свойства;
разработать технологию термоводородной обработки высокопрочных титановых сплавов, позволяющую получать из них новые виды полуфабрикатов (тонкий лист, фольгу, проволоку) холодной пластической деформацией и обеспечить высокий уровень механических свойств готовых изделий.
Научная новизна.
-
Исследовано влияние температурно-скоростных и временных параметров высоко- и низкотемпературной термической обработки на закономерности фазовых превращений при охлаждении, непрерывном нагреве, изотермической выдержке и формирование конечной структуры в двойных и тройных модельных сплавах титана, легированных Nb, V, Al, Cr, Н, и в промышленных (а+Р) сплавах. Определены критические скорости охлаждения (vKp), ограничивающие температурно-временные условия охлаждения, при которых реализуются различные механизмы превращения высокотемпературной р-фазы: выше v'xp-бездиффузионный, ниже v2Kp- диффузионный, в интервале v'Kp - v\f - промежуточный механизм. Установлены температурно-временные границы распада метастабильных фаз при непрерывном нагреве и изотермической выдержке. Для описания фазового состава сплавов, сформировавшегося в результате охлаждения с различными скоростями, непрерывного нагрева или старения разработаны новые типы диаграмм, позволяющие проводить анализ фазовых превращений и прогнозировать фазовый состав и тип микроструктуры в зависимости от параметров термической обработки.
-
Изучено влияние режимов высоко- и низкотемпературной термической обработки на свойства модельных и промышленных титановых сплавов. Установлено, что максимальная степень химической микронеоднородности фаз наблюдается при охлаждении со скоростью v3^. Продукты распада высокотемпературной р-фазы в этом случае имеют максимальную дисперсность, обеспечивающую наиболее высокую прочность и минимальную пластичность сплавов. После низкотемпературной обработки (старения) наиболее высоким уровнем прочности обладают сплавы, охлажденные при предшествующей высокотемпературной
Обработке СО СКОРОСТЯМИ Не Менее V3Kp.
-
Экспериментально установлено влияние химического состава, исходных фазового состава и структуры сплавов на критические скорости охлаждения. Показано, что дополнительное легирование алюминием сплавов титана с р-стабилизаторами приводит к снижению критических скоростей охлаждения в том случае, если Кр' > 1 и к их увеличению при Кр < 1. Уменьшение размеров исходного р-зерна и частиц а-фазы приводит к росту v'q, и v3kp при охлаждении с одной и той же температуры.
-
Впервые установлено, что при легировании водородом сплавов системы Ti-Nb, содержащих от 6 до 18% Nb, образуется гидридная фаза состава
' Кр - коэффициент р-стабилизации сплава 6
(Ті, Nd)i.kHx (хяО,5) с ОЦТ кристаллической решеткой, отношение осей с/а в которой изменяется от 1,14 до 1,02 с увеличением концентрации ниобия. При образовании гидридов р-фаза обедняется водородом и претерпевает бездиффузионные превращения в соответствии с содержанием в ней ниобия. При холодной пластической деформации сжатием в сплавах, легированных до 12% Nb, ОЦТ гидрид превращается в ГЦК-гидрид, а в сплавах, содержащих свыше 14% Nb, — в (5-фазу.
-
Впервые установлено, что при нагреве образцов из титановых сплавов со структурой механически нестабильной р-фазы, предварительно деформированных со степенью до 8%, возврат деформации при реализации эффекта запоминания формы (ЭЗФ) происходит в три стадии. Первая (при температурах 80-300С) связана с развитием обратного мартенситного превращения и приводит к восстановлению исходной формы; вторая (при температурах 350-550С) обусловлена распадом метастабильной р-фазы с образованием а-образных продуктов, кристаллографическая ориентация которых соответствует мартенситу напряжения и способствует восстановлению формы, характерной для состояния после деформирования; третья стадия (при температурах вблизи Асз) вызвана растворением а-фазы и определяет повторное восстановление исходной формы. Установлено влияние системы и степени легирования, схемы и степени деформации, а также условий нагрева на величину восстанавливаемой деформации на каждой стадии реализации ЭЗФ.
-
Установлены закономерности влияния водорода на механизм холодной пластической деформации Р-фазы титановых сплавов. Показано, что в сплавах с Кр>1 водород, повышая механическую стабильность Р-фазы, препятствует формоизменению за счет реализации мартенситного превращения и двойникования, что способствует развитию процессов скольжения в ОЦК решетке. Водород приводит к значительному повышению стартовых напряжений, образуя примесные атмосферы на исходных дислокациях, в то же время снижает напряжения скольжения дислокаций, образующихся в процессе деформации. Это приводит к образованию значительного зуба текучести при испытании сплавов на сжатие и локализации деформации при растяжении. В сплавах мартенситного класса с Кр < 1 легирование водородом способствует образованию механически нестабильной Р-фазы и обеспечивает проявление эффекта запоминания формы и высокого демпфирования.
Практическая зпачнмость.
-
Разработана технология упрочняющей термической обработки плит толщиной до 160 мм и прутков диаметром до 120 мм из высокопрочных титановых сплавов, позволяющая проводить выбор режимов обработки (температура и скорость нагрева, тип охлаждающей среды, температура и время старения) в зависимости от габаритов полуфабриката для обеспечения максимально возможного уровня прочности при сохранении удовлетворительной пластичности, однородности уровня механических свойств по сечению и отсутствии остаточных макронапряжений и поводок. Технология обработки обеспечивает повышение временного сопротивления разрыву на 100-150 МПа по сравнению со стандартными режимами термической обработки.
-
Разработана технология обработки изделий из промышленных титановых сплавов мартенситного и переходного класса, обеспечивающая проявление эффекта запоминания формы. В зависимости от требований, восстановление формы может быть реализовано в интервале температур 80-300С (прямое восстановление формы) или 400-600С (обратное восстановление формы). Разработан новый сплав на основе титана (Ti-10Al-12V-lCr), обладающий наиболее высокой величиной восстанавливаемой степени деформации (до 3,8%) по сравнению с серийными (ос+Р)-сплавами и по удельным характеристикам восстановления формы приближающийся к сплавам на основе никелида титана. Разработки прошли опытно-промышленное опробование для изготовления термодатчиков и термомеханических соединений трубопроводов и показала высокую экономическую эффективность по сравнению с использованием сплавов на основе никелида титана.
-
Разработан новый сверхпроводящий сплав Ti-21Nb-15H и технология его получения, обработки и изготовления из него многожильных сверхпроводящих кабелей. По сравнению с серийным сплавом НТ50 новый сплав содержит в 1,5 раза меньше дефицитного ниобия, имеет на 14-17% более низкую плотность при сохранении высокой технологичности и уровня сверхпроводящих свойств.
-
Разработан новый технологический процесс получения полуфабрикатов и изделий
из высокопрочных титановых сплавов ВТ22И (Россия) и ТІ-10-2-3 (США),
основанный на сочетании термоводородной обработки и холодной пластической
деформации, превосходящий по технико-экономической эффективности технологии,
основанные на горячей деформации. Разработанный технологический процесс
позволяет производить из этих сплавов новые виды полуфабрикатов (тонкие листы,
проволоку, фольгу) и изделий, а также обеспечивать высокий уровень механических
свойств готовых изделий (а,, > 1250 МПа; 5 > 6%). 8
Апробация работы. Материалы диссертации были доложены на 12 Международных и 40 Всесоюзных, Российских и отраслевых конференциях и семинарах. В том числе: на V, VI, VIII Международных конференциях по титану (ФРГ — 1984; Франция — 1988; Великобритания — 1995), на Международных конференциях по производству и применению титана ( США — 1990; Южная Корея — 1995, 1997), Евромат-95, 97 (Италия — 1995, Нидерланды — 1997), на Международной конференции по мартенситным превращениям ICOMAT'95 ( Швейцария — 1995) и др.
Результаты диссертации нашли отражение в работах, удостоенных премии Ленинского комсомола в области науки и техники (1984г.), большой, серебряной и двух бронзовых медалей ВДНХ СССР.
Публикации. Материалы диссертации опубликованы более, чем в 100 работах, защищены 6 патентами Российской Федерации. Список работ, в которых отражено основное содержание диссертации, приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 290 наименований и двух приложений. Она изложена на 189 страницах машинописного текста, содержит 155 рисунков, 15 таблиц.
