Введение к работе
Актуальность проблемы. Повышение качества изделий авиакосмической техники остается актуальной задачей нашей промышленности. Титановые сплавы, как стали и алюминиевые сплавы, являются основными конструкционными материалами современных летательных аппаратов. Наряду с достоинствами, такими как высокая удельная прочность и коррозионная стойкость, титановые сплавы имеют целый ряд недостатков: склонность к газонасыщению, невысокие значения модулей упругости, интенсивный рост 0-зерен при нагреве, формирование неоднородной структуры в крупногабаритных полуфабрикатах и сварных соединениях и другие. Частично эти недостатки можно уменьшить применением термической обработки, одной из разновидностей которой является термоциклическая обработка (ТЦО). Имеющиеся в литературе по ТЦО данные не дают четкого обоснования выбора тех или иных режимов термоциклирования, не ясно для каких полуфабрикатов и сварных соединений целесообразно применение ТЦО, как влияет исходная структура сплавов на эффекты термоциклирования. По сравнению со стандартной термической обработкой технология проведения ТЦО является более сложной и трудоемкой, поэтому необходимо изыскивать рациональные способы осуществления термоциклирования. В связи с этим исследования также должны быть направлены на изучение влияния ускоренного нагрева на эффекты ТЦО, чтобы иметь возможность применять концентрированные источники нагрева, что позволит упростить технологию проведения ТЦО. Термоциклирование, основанное на накоплении микронапряжений вследствие разности удельных объемов фаз при фазовых превращениях, различия физических свойств фаз и других факторов, сопровождается структурными изменениями. Поэтому разработка техногии ТЦО должна быть основана на исследовании фазовых и структурных превращений в сплавах, изучении структуры и свойств различных полуфабрикатов и сварных соединений после ТЦО с учетом исходной структуры сплавов. Для исследования в данной работе выбраны высокопрочные титановые сплавы ВТ23 и ВТ22. Крупногабаритные полуфабрикаты и сварные соединения сплавов ВТ23 и ВТ22 характеризуются неоднородностью структуры, низкой пластичностью и ударной вязкостью. Поэтому исследование ТЦО и ее применение должно быть направлено на устранение или уменьшение этих недостатков.
Цель работы состоит в повышении комплекса механических свойств полуфабрикатов и сварных соединений из сплавов ВТ23 и ВТ22 путем термоциклической обработки на основе изучения законо-
мерностей изменения их структуры и свойств при ТЦО и выбора оптимальной технологии ТЦО.
Для достижения поставленной цели в работе решали следующие задачи:
-
изучить фазовые превращения в сплавах ВТ23 и ВТ22 при нагреве и охлаждении с разными скоростями, и при старении;
-
исследовать влияние ТЦО с применением печного нагрева на структуру и свойства полуфабрикатов (листов и плит), а также сварных соединений из сплава ВТ23;
-
установить влияние ТЦО с применением ускоренного нагрева на структуру и свойства полуфабрикатов и сварных соединений из сплава ВТ23;
-
определить влияние исходной структуры с разным размером Р-зерна на эффекты ТЦО полуфабрикатов сплава ВТ22;
-
изучить влияние ТЦО с применением разных способов нагрева (в печи, токами высокой частоты, электронным лучом) на структуру и свойства сварных соединений сплава ВТ22;
-
разработать рекомендации по выбору режимов ТЦО для полуфабрикатов и сварных соединений из сплавов ВТ23 и ВТ22.
В результате проведенных в данной работе исследований и решения поставленных задач получены результаты, имеющие следующую научную и практическую ценность.
Научная новизна работы
-
Уточнены диаграммы анизотермических превращений для сплавов ВТ23 и ВТ22. Определены интервалы фазовых превращений при нагреве и охлаждении для сплавов ВТ23 и ВТ22 с разным исходной структурой.
-
Для деформированных полуфабрикатов из сплава ВТ23 определены режимы термоциклирования в d+p-области, способствующие образованию структуры смешанного типа (пластинчатой и глобулярной), обеспечивающие однородность свойств и высокие показатели пластичности и ударной вязкости.
3.Показано, что термоциклирование в d+p-области сплава ВТ23 с крупнозернистой р-превращенной структурой приводит к формированию неоднородного внутризеренного строения в связи с неравномерным протеканием полиморфного d ~ & превращения и процесса сферои-дизации пластин d-фазы вследствие анизотропности крупнозернистой структуры.
4. Установлено влияние размера исходного р-зерна в сплаве ВТ22 на эффекты термоциклирования деформированных полуфабрикатов.
Показано, что в сплаве со средним размером р-зерна (D6~500 мкм) можно получить измельченную р-рекристаллизованную структуру путем термоциклирования (VH=0,1 -1 С/с) с переходом в р-область (п=5-10 циклов) и последующей термической обработки.
-
Установлено, что в сплавах ВТ23 и ВТ22 с р-превращенной структурой (DB> 800 мкм) можно получить измельченную р-рекристал-лизованную структуру применением ускоренного нагрева (V„=10C/c) при ТЦО в двухфазной й+ р-области (п=20 циклов) с последующим ускоренным нагревом в р-область (V„=25C/c).
-
Показано, что для сварных соединений сплавов ВТ23 и ВТ22 целесообразно применение термоциклирования (V„=2-3С/с) с переходом в р-область и последующего ступенчатого охлаждения, что приводит к уменьшению неоднородности структуры и свойств сварных соединений, а также улучшению их пластичности и ударной вязкости за счет сфероидизации пластин d-фазы и формирования колоний пластин а +р-фаз.
Практическая значимость
1. Для листовых изделий сплава ВТ23 разработаны режимы тер
мической обработки, обеспечивающие сочетание хороших механических
свойств при повышении модулей упругости на 10-15% по сравнению со
стандартной термической обработкой:
а) охлаждение на воздухе с температуры 930С + старение 500С, 16ч.
б) ТЦО в течение 3 циклов в интервале температур 650-300С, про
межуточное охлаждение в печи, окончательное на воздухе ( на этот
способ термообработки получено А.С.1578225, 1990).
2. Определен режим ТЦО для крупногабаритных плит сплава
ВТ23, уменьшающий неоднородность структуры и улучшающий их плас
тичность (на 20%) и ударную вязкость (в 2, 5 р) :(870 - 500С) 5ц,
промежуточное охлаждение на воздухе, окончательное - в печи.
3. Разработан режим ТЦО для полуфабрикатов сплава ВТ23 с
р-превращенной структурой (DB> 800 мкм), обеспечивающий повышение
пластичности (на 30%) и ударной вязкости (в 2,5 р):
(930-500С) 5ц, промежуточное охлаждение на воздухе , окончатель
ное с печью.
4. Для сварных соединений сплава ВТ23 разработаны режимы ло
кальной термоциклической обработки (ЛТЦО) с нагревом ТВЧ и элект
ронным лучом, обеспечивающие прочностные свойства на уровне
свойств после стандартного отжига при повышеной пластичности (на
30 -50%) и ударной вязкости (в 2 раза):
а) нагрев электронным лучом: ТЦО (940-500С), 5циклов, охлаждение
до 840С, выдержка 0,15ч, охлаждение до 600С, выдержка 0,3ч. б) нагрев ТВЧ: ТЦО (940-500С), 5 циклов, охлаждение до 840С, выдержка 0, Зч, охлаждение до 730С, выдержка 0, Зч.
5. Для сварных соединений сплава ВТ22 рекомендуется ЛТЦО с нагревом ТВЧ или электронным лучом и трехступенчатым охлаждением: ТЦО (910-500С), 5ц, охлаждение до 820С, выдержка 0,1ч, охлаждение до 750С, выдержка 0,15ч, охлаждение до 630С, выдержка 0,25ч. Такая обработка обеспечивает повышение значений ударной вязкости шва и зоны сплавления (в 2р) и усталостных свойств (в *3р) сварных соединений.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены на 10 научно-технических конференциях.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 7 работах. Результаты работы защищены 3 авторскими свидетельствами.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, общих выводов по работе, списка использованной литературы из *&онаименований, она изложена на ''-"^страницах машинописного текста, содержит -5" рисунков и *9 таблиц.
