Введение к работе
Актуальность проблемы. Одними из наиболее перспективных металлических материалов, используемых в качестве жаропрочных в авиационном двнгателестроении и других областях авиакосмической техники, являются титановые сплавы, обладающие высокой удельной прочностью при нормальной и повышенных температурах. Однако к настоящему времени возможности лучших серийных сплавов, разработанных как в России, так и за рубежом -ВТ18У, ВТ36, ВТ25У, IMI834, Til 100, ТІ6242, и др. в плане повышения ресурса, уровня рабочих температур (500 - 600С) и комплекса механических и эксплуатационных свойств практически исчерпаны. Применение более жаропрочных сплавов на основе интерметаллида ТізАІ, таких как "супер-а2 " (США), ВТИ-1 (Россия), сдерживается целым рядом нерешенных проблем, основными из которых являются высокая стоимость и плотность вследствие сильного легирования ниобием, а также низкая пластичность при нормальной температуре и при горячей обработке давлением.
В то же время интерметаллид ТізАІ принципиально может быть использован в качестве дисперсной упрочняющей фазы (а2) в жаропрочных сплавах на основе а - и а+(3- структур. Однако присутствие а2-фазы в структуре титановых сплавов традиционно считалось неприемлемым, так как ее выделение в процессе длительной (более 100 часов) выдержки при температурах 500 - 700С приводит к резкому снижению пластичности, вязкости разрушения, трещиностойкости. Решить проблему термической стабильности сплавов с иитерметаллидным упрочнением сь - фазой традиционными методами термической или термомеханической обработки не удалось. Поэтому разработанные еще на рубеже 60-х - 70-х годов сплавы этого класса Ti-8111 (США), СТ4 (Россия) с содержанием алюминия 8-9%(масс.) не нашли практического применения. В то же время очевидно, что сплавы на основе а -фазы с
упрочнением а2-фазой могли бы наиболее эффективно использоваться в интервале рабочих температур от 550 до 700С. Поэтому актуальным является поиск принципиально новых технологических способов обработки жаропрочных титановых сплавов с интерметаллидным упрочнением, которые позволили бы решить указанные проблемы.
Одним из таких способов является термоводородная обработка (ТВО), основанная на обратимом легировании водородом. Уникальность водорода, как легирующего элемента, обусловлена его исключительной диффузионной подвижностью, высокой растворимостью в титановых сплавах, сильным влиянием на стабильность фаз, их химический состав, диффузию основных легирующих элементов и т. д. К настоящему времени разработаны научные основы ТВО и показана высокая эффективность в управлении структурой литых и деформированных титановых сплавов разных классов и повышении их механических, эксплуатационных и технологических свойств. Однако исследования, проведенные на сплавах с содержанием алюминия около 9%(масс.) носят предварительный характер. Закономерности фазовых и структурных превращений в сплавах на основе a+ai- структуры, дополнительно легированных водородом, при различной термической обработке изучены недостаточно. Не установлено влияние термоводородной обработки на закономерности разрушения этих сплавов при циклическом нагружении. Не изучена возможность совмещения ТВО с эффектом водородного пластифицирования при горячей обработке давлением, что позволит не только улучшить деформируемость, но и обеспечить высокий уровень механических свойств и термическую стабильность.
Цель настоящей работы состояла в исследовании закономерностей формирования фазового состава и структуры жаропрочных титановых сплавов с интерметаллидным упрочнением а2 - фазой при обратимом легировании водородом
и термическом воздействии и в разработке на этой основе режимов
термоводородной обработки, обеспечивающих термическую стабильность и
повышение комплекса механических, эксплуатационных и технологических свойств.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
исследовать влияние водорода на механизм и кинетику фазовых превращений и структурообразование в сплавах при различных видах термической обработки, в том числе вакуумном отжиге;
определить схему и параметры термоводородной обработки, обеспечивающей повышение комплекса свойств сплавов и термическую стабильность;
изучить закономерности распространения усталостной микротрещины в сплавах с различным структурным состоянием и влияние на них ТВО;
-оценить возможность и эффективность сочетания ТВО и водородного пластифицирования в технологическом процессе изготовления лопаток компрессора, включающем фасонное литье заготовок.
Исследования были проведены на опытном сплаве состава Ti-9Al-lMo-4Sn-3Zr(% по массе).
Научная новизна.
1. Определен фазовый состав сплава Ti-9AI-lMo-3Zr-4Sn, содержащего от 0,003 до 1% по массе водорода при температурах от 20 до 1150С. Построены диаграммы "фазовый состав - концентрация водорода - температура", описывающие формирование фазового состава водородсодержащего сплава при нагреве от нормальной температуры и охлаждении с печыо из Р-области с последующей закалкой от заданной температуры.
1 Здесь и далее по тексту концентрация водорода и легирующих элементов приведена в процентах по массе.
Установлено, что при увеличении содержания водорода от 0,003 до 1,0% по массе температуры Ас3 и Аг3 снижаются на 220-210С соответственно. Легирование сплава водородом до концентраций более 0,6% приводит к формированию структур, содержащих гидридную фазу.
-
Показано, что температура конца разупорядочения а2-фазы при нагреве сплава, легированного водородом, повышается на 50С. Температура начала упорядочения ос-фазы при охлаждении сплава изменяется в зависимости от концентрации водорода немонотонно в соответствии с характером протекающих фазовых превращений.
-
Определен фазовый состав и структура сплава Ti-9Al-lMo-3Zr-4Sn, легированного водородом до 1,0% по массе, после охлаждения из р-области со скоростями от 250 до 0,03 К/с. Построена диаграмма "фазовый состав - концентрация водорода -скорость охлаждения". Показано снижение первой, второй и третьей критических скоростей охлаждения при легировании сплава водородом. Установлено, что легирование водородом приводит к снижению скоростей охлаждения, при которых в сплаве образуется упорядоченная аг-фаза. Показано, что максимальная твердость сплава достигается при охлаждении со скоростями, близкими к третьей критической.
-
Определен фазовый состав сплава Ti-9Al-lMo-3Zr-4Sn с различным содержанием водорода, формирующийся в процессе изотермической обработки при температурах от 500 до 750С после предварительной закалки из f>- и а+Р-области. Построены диаграммы "фазовый состав - температура - время выдержки" для сплавов с различной концентрацией водорода. Показано, что минимальное время выдержки до начала упорядочения а-фазы достигается в сплаве с 0,8% водорода при температуре 650С.
5. Установлены закономерности фазовых превращений в сплаве с концентрацией
водорода от 0,003 до 0,8%, протекающих при непрерывном нагреве и
изотермических выдержках в вакууме. Показано, что при исходной концентрации водорода более 0,6% в процессе вакуумного отжига формируется бимодальная структура, в которой содержание алюминия в первичной и вторичной а-фазах различается на 4-8%. Эта структура является термически устойчивой при температурах до 750С. Образование а2-фазы происходит только в частицах первичной а-фазы, обогащенной алюминием.
6. Установлено, что формирование в сплаве в результате ТВО бимодальной структуры с различными размерами, морфологией и химическим составом первичной и вторичной а-фаз, приводит к повышению сопротивления сплава зарождению и распространению усталостной микротрещины и практически исключает реализацию механизма перерезания трещиной частиц первичной а-фазы.
Практическая значимость.
1. Разработаны режимы термоводородной обработки сплава Ti-9Al-lMo-3Zr-4Sn, включающие насыщение водородом до концентраций 0,6-0,8% в температурном интервале 900-750С и вакуумный отжиг при температуре 700С. Разработанные режимы обеспечивают термическую стабильность сплава при температуре 650СС в течение 100 часов. Предел прочности после ТВО повышается на ЮОМПа по сравнению с отожженным состоянием и составляет 1 ЮОМПа (при 20С), а относительное удлинение при растяжении и ударная вязкость сохраняются на удовлетворительном уровне (соответственно 6,8% и 0,27 МДж/м2) после 100-часовой выдержки при 650С. Средняя скорость распространения устатостной трещины после 20-часовоП выдержки при 650С в сплаве, предварительно подвергнутом ТВО, снижается в 17 раз, а число циклов до ее зарождения возрастает
более, чем в 10 раз, по сравнению с состоянием после предварительной закалки из а+р-области.
2. Предложена схема изготовления лопаток компрессора ГТД из сплава Ті-9А1-1Мо-3Zr-4Sn, основанная на сочетании фасонного литья заготовок, термоводородной обработки отливок и изотермической штамповки в условиях проявления эффекта водородного пластифицирования. Показано, что введение 0,65% водорода в фасонную отливку позволяет снизить температуру деформации до 850-900С, что на 150-100С ниже температур, принятых для сплавов этого класса. Предложенная схема обеспечивает снижение энергоемкости и стоимости технологии, увеличение коэффициента использования металла и повышение стойкости штампов из сплава ЖС6К не менее, чем в 2 раза, по сравнению с технологией изготовления лопаток из деформированных полуфабрикатов.
Апробация работы. Материалы работы доложены на 9 научно-технических конференциях и семинарах, в том числе на 4 международных.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 11 работах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе, списка использованной литературы из 94 наименований. Изложена на 124 страницах машинописного текста, содержит 70 рисунков и 13 таблиц.
