Введение к работе
Актуальность проблемы.
Титановые сплавы занимают важное место среди современных конструкционных материалов. Низкая плотность, высокая коррозионная стойкость и удельная прочность делают эти сплавы незаменимыми не только для авиационной и космической техники, но и для медицины и других отраслей промышленности.
В зависимости от условий эксплуатации изделия или конструкции материал, из которого они изготовлены, должен обладать определенным комплексом механических свойств. Так в изделиях, работающих при знакопеременных циклических нагрузках, для повышения прочностных и усталостных характеристик материале необходимо создавать мелкодисперсную структуру. Однако, такой структуре свойственны низкие значения пластичности и ударной вязкости. Если изделие или конструкция должны иметь высокую надежность при длительной эксплуатации или испытывать высокие ударные нагрузки, определяющее значение имеет скорость распространения трещины. В этом случае преимущество имеет пластинчатая структура, характеризующаяся высокой работой распространения усталостной трещины.
Нередко материал должен обладать сочетанием свойств, требуемый уровень которых обеспечивается разными типами структуры. В таких случаях в металлических материалах создают так называемую «бимодальную» структуру.
Разрушение изделий, испытывающих знакопеременные нагрузки, начинается с поверхностных слоев. Поэтому для повышения надежности деталей используются различные методы обработки, позволяющие улучшать структурное состояние поверхности. К таким методам относится механическое полирование, алмазное выглаживание, скоростное термическое упрочнение, химико-термическая обработка и др.
Одним из способов управления структурой титановых сплавов является термоводородная обработка (ТВО), позволяющая получать заданные размер и морфологию структурных составляющих материала полуфабриката или изделия. Благодаря различной диффузионной подвижности атомов водорода и основных легирующих элементов, ТВО также может являться одним из способов изменения поверхностной структуры титановых сплавов. Создание на поверхности изделий мелкодисперсной структуры должно обеспечивать высокий уровень прочностных и усталостных характеристик, а неизмененная пластинчатая структура сердцевины -высокие показатели ударной вязкости и вязкости разрушения. Однако систематических исследований в этом направлении до настоящего времени не
проводилось. Поэтому задача создания переменной по сечению, или «градиентной», структуры в сплаве ВТ6 является актуальной.
Цель настоящей работы состояла в изучении влияния обратимого легирования водородом на закономерности формирования поверхностной и объемной структуры в сплаве ВТ6 и разработке на этой основе технологии термоводородной обработки, обеспечивающей регламентированное изменение свойств по сечению полуфабриката.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
Изучить влияние параметров наводороживающего отжига: температуры, концентрации водорода и избыточного давления, на изменение фазового состава и структуры по сечению образцов из сплава ВТ6.
Изучить влияние времени изотермической выдержки при равновесном давлении водорода на глубину преобразованного слоя.
Исследовать закономерности формирования фазового состава и структуры по сечению образцов из сплава ВТ6, дополнительно легированных водородом, при дегазации.
Установить влияние различных типов объемной и поверхностной структуры, полученной при термоводородной обработке сплава ВТ6, на комплекс механических свойств.
Разработать технологию термоводородной обработки, позволяющую создать в титановом сплаве ВТ6 градиентную структуру.
Научная новизна:
Показана возможность создания в титановом сплаве ВТ6 градиентной структуры при обратимом легировании водородом. Установлено, что, изменяя время изотермической выдержки при равновесном давлении водорода, можно изменять глубину его проникновения и, следовательно, толщину слоя с преобразованной структурой, а изменяя температуру наводороживания, можно получать в поверхностных слоях структуру различных типов - от мелкодисперсной до бимодальной.
Установлено, что для получения однородной дисперсной структуры в поверхностных слоях в процессе дегазации, необходимо, чтобы при наводороживании в этих объёмах не только полностью завершалось а^Р
превращение, но и содержание водорода превышало 0,6% , чтобы при охлаждении до нормальной температуры исключить образование в структуре более 10 % мартенсита.
3. Показано, что создание при термоводородной обработке в сплаве ВТ6 градиентной структуры, изменяющейся от мелкодисперсной в поверхностных слоях до пластинчатой в сердцевине, по сравнению с объемной мелкодисперсной структурой, позволяет в 2-2,5 раза увеличить ударную вязкость и пластичность сплава и сохранить предел выносливости на уровне 650 МПа при незначительном снижении прочности.
Практическая значимость:
Построены номограммы для определения расчётной концентрации водорода, которую необходимо ввести в заготовку из сплава ВТ6, для получения заданной глубины преобразованного слоя в зависимости от величины удельной поверхности полуфабриката в процессе проведения наводороживающего отжига при температуре 800С с избыточным давлением 26 кПа и изотермической выдержкой после поглощения водорода в течение 2 минут.
Разработан режим термоводородной обработки, включающий наводороживающий отжиг при температуре 800С с избыточным давлением 26 кПа, изотермическую выдержку в течение 2 минут после поглощения расчётной концентрации водорода и вакуумный отжиг при температуре 625С в течение 8 часов, позволяющий получить в сплаве ВТ6 градиентную структуру с высоким уровнем выносливости и ударной вязкости.
Разработанная технология была использована ЗАО «Имплант МТ» при производстве опытной партии бедренных компонентов эндопротеза тазобедренного сустава из титанового сплава ВТ6.
Апробация работы. Материалы работы доложены на 9 научно-технических конференциях и семинарах, в том числе: на Молодежных научно-технических конференциях «МАТИ»-РГТУ им. К.Э.Циолковского «Гагаринские чтения» (2010-2011гг., Москва), на VI Международном Аэрокосмическом Конгрессе IAC09 (2009г., Москва), на Международных конференциях «Ті в СНГ» (Одесса, 2009 г.; Екатеринбург, 2010 г.; Львов, 2011 г.).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 6 работах, в том числе в ведущих рецензируемых журналах и изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией - 3, список которых приведен в конце автореферата.
Здесь и далее по тексту концентрация водорода и легирующих элементов приведена в процентах по массе.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов по работе, списка использованной литературы из 106 наименований и приложения. Изложена на 120 страницах машинописного текста, содержит 53 рисунка и 14 таблиц.
