Влияние химического состава и структурного состояния двухфазных титановых сплавов на технологическую пластичность при нормальной и повышенной температурах Шалин Алексей Владимирович

Введение к работе

Актуальность проблемы

Важнейшей задачей современного производства полуфабрикатов и изделий из титановых сплавов является снижение его трудоемкости и увеличение коэффициента использования металла.

Один из способов её решения - это создание технологическими методами такого структурного состояния материала, которое обеспечивает, с одной стороны, возможность снижения усилий и/или температуры деформации, а с другой - получение требуемого комплекса свойств в изделиях.

Сплав ВТ 16 является одним из основных титановых сплавов для изготовления деталей крепления методом холодного редуцирования и высадки. Однако из-за сравнительно низкого содержания алюминия и использования только изоморфных в-стабилизаторов в изделиях из этого сплава не всегда удается достичь требуемого комплекса свойств.

Совместно с немецкой фирмой "Hanseatische Waren Handelsgesellschaft mbH & Co. KG" сотрудниками кафедры «МиТОМ» был разработан опытный сплав Ti-3Al- 5V-5Mo-1Zr-0,5Sn, обладающий более высоким, по сравнению со сплавом ВТ16, уровнем прочности. Однако этот сплав должен иметь и высокую технологическую пластичность при нормальной температуре, что может быть обеспечено созданием в нем регламентированной структуры.

Другой способ - это создание новых сплавов и технологий их получения и обработки, обеспечивающих повышенную технологическую пластичность при температурах (а+в)-области. С этой целью обычно используют сплавы с содержанием алюминия 4-4,5 масс. %, такие, как IMI550 (Ti-4Al-4Mo-2Sn-0,5Si), Corona 5 (Ti-4,5Al-5Mo-1,5Cr) или SP700 (Ti-4,5Al-3V-2Mo-2Fe). Все эти сплавы хорошо деформируются при более низких температурах, чем сплав Ti-6Al-4V (ВТ6). Однако в России аналогов перечисленным выше сплавам не существует.

Эффективным способом снижения трудоемкости изготовления полуфабрикатов за счет снижения усилий и/или температуры деформации является использование технологий, основанных на эффекте водородного пластифицирования и термоводородной обработке. Разработанная в МАТИ опытно-промышленная вакуумно-водородная установка позволяет реализовать водородные технологии на достаточно массивных заготовках. Однако переход от опытных к промышленным технологиям требует проведения дополнительных исследований.

Поэтому проблема выбора химического состава сплавов, их структурного состояния и технологий обработки, обеспечивающих высокую технологическую пластичность при нормальных и повышенных температурах и требуемый комплекс свойств конечных полуфабрикатов и изделий является актуальной.

Цель работы состояла в изучении закономерностей формирования фазового состава и структуры в опытных и промышленных (а+в)-титановых сплавах при термической, термомеханической и термоводородной обработках и разработке на этой основе технологий получения полуфабрикатов и изделий методами холодной, теплой и горячей деформации.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Обосновать выбор химического состава опытных и промышленных титановых сплавов для проведения холодной, теплой и горячей деформации.

2. Изучить влияние химического и фазового состава на деформируемость титановых сплавов при нормальной температуре.

3. Изучить закономерности формирования текстуры а- и в- фаз в титановых сплавах при горячей и теплой пластической деформации.

4. Исследовать влияние химического состава и структуры (а+в)-титановых сплавов на технологическую пластичность при теплой деформации.

5. Изучить влияние дополнительного легирования водородом на усилие прессования титанового сплава ВТ6 при повышенных температурах.

6. На основании проведенных исследований разработать технологию получения и обработки полуфабрикатов и изделий из (а+в)-титановых сплавов.

Научная новизна:

1. Разработан опытный высокопрочный сплав Ti-4,5Al-4V-3Mo-3Nb-2Zr-0,5Cr- 0,5Fe, имеющий более высокую пластичность при теплой деформации в (а+в)-области по сравнению со сплавами ВТ6 и ВТ 16.

6. 1. Показано, что для обеспечения высокой технологической пластичности двухфазных (а+в)-титановых сплавов мартенситного класса при осадке со степенью сжатия не менее 70% при нормальной температуре они должны содержать около 3 масс. % алюминия и иметь рекристаллизованную структуру с размером частиц а-фазы 4-6 мкм. Для снижения усилий деформирования при повышенных температурах сплав должен содержать не более 4,5 масс. % алюминия и иметь полигонизированную структуру с размером частиц а-фазы 1-3 мкм.

   2. Установлено, что дополнительное легирование сплава ВТ6 0,15-0,25 масс. % водорода не только снижает усилие прессования вследствие увеличения объемной доли в-фазы, но и активизирует процесс глобуляризации пластинчатой структуры при пластической деформации в результате увеличения концентрации дефектов кристаллического строения.

   3. Установлено, что дополнительное легирование сплава ВТ6 0,15-0,25 масс.% водорода приводит к изменению типа кристаллографической текстуры а-фазы при прессовании в (а+Р)-области. Для сплава с исходным содержанием водорода увеличение коэффициента вытяжки приводит к усилению базисной составляющей текстуры а-фазы, а дополнительное легирование водородом - к её ослаблению.

   Практическая значимость:

   6. 3. 1. Разработан режим отжига опытного сплава Ti-3Al-5V-5Mo-1Zr-0.5Sn, заключающийся в изотермической выдержке в течении 10 часов при температуре 710С и формирующий однородную глобулярную структуру, которая обеспечивает повышение технологической пластичности сплава и позволяет проводить деформацию сжатием при нормальной температуре со степенью не менее 70%.

         2. Разработана технология получения и обработки прутков из опытного сплава Ti- 4,5Al-4V-3Mo-3Nb-2Zr-0,5Cr-0,5Fe, которая позволяет создать в полуфабрикате полигонизованную структуру с регламентированным размером частиц а-фазы, обеспечивающую повышенную технологическую пластичность при деформации в (а+в)-области и уровень прочности более 1100 МПа после упрочняющей термической обработки. 3. Разработана водородная технология получения прессованных заготовок из сплава ВТ6, включающая наводороживающий отжиг при температуре 800^оС до концентраций 0,15-0,25 масс. %, прессование при температурах 880-8000С и последующий вакуумный отжиг при 800оС в течении 5 часов. Дополнительное легирование водородом позволяет снизить в 1,2-1,5 раза усилие прессования. Сочетание обратимого легирования водородом и пластической деформации приводит к формированию в сплаве глобулярной структуры, обеспечивающей предел прочности более 1000 МПа и относительное удлинение более 16%.

         Апробация работы: Материалы работы доложены на 10 научно-технических конференциях и семинарах, в том числе: на Седьмом Международном Аэрокосмическом Конгрессе IAC'12 (Москва, 2012 г.), на Международных конференциях «Ti в СНГ» (Ялта, 2007 г.; Одесса, 2009 г.; Львов, 2011 г.; Донецк 2013г.), на Научно-технической конференции «Молодежь в авиационном материаловедении» (Москва, ВИАМ, 2008 г.), на Международной научно- технической Уральской школе-семинаре металловедов - молодых ученых (Екатеринбург, УрФУ, 2010гг.), на XXXVI-XXXVIII Международных молодежных научных конференциях «Гагаринские чтения» (Москва, МАТИ, 2010-2012 гг.),

         Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 10 работах, в том числе в 4 ведущих рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК РФ. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.

         Объем диссертации и её структура. Диссертация изложена на 110 страницах машинописного текста, содержит 66 рисунков и 25 таблиц. Работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, приложения и списка литературы из 112 наименований.

         Похожие диссертации на Влияние химического состава и структурного состояния двухфазных титановых сплавов на технологическую пластичность при нормальной и повышенной температурах

         Влияние легирования на низкотемпературную пластичность и прочность при высоких температурах сплавов хромаВысоцкий, Алексей Алексеевич

         

         Влияние исходного размера зерен, химического состава и температуры деформации на эволюцию структуры в титане при прокатке и разработка режимов получения ультрамелкозернистых листов и прутковДьяконов, Григорий Сергеевич

         

         Влияние химического состава и термической обработки на магнитоупругие свойства малоуглеродистых и низколегированных сталей и сплавовЯценко Татьяна Александровна

         Влияние химического состава и структуры низколегированных трубных сталей на закономерности сульфидной коррозииРыхлевская, Марина Станиславовна

         

         Закономерности влияния химического состава и структуры на анизотропию механических свойств полуфабрикатов из a- и (a + b)-сплавов титанаТаранишин Александр Алексеевич

         

         Влияние химического и фазового состава специальных латуней на их твердость и износостойкостьКотляров Игорь Викторович

         Закономерности взаимодействия легирующих компонентов и их влияние на структуру, фазовый состав и свойства литейных магниевых сплавов системы Mg - Zn - ZrУридия, Зинаида Петровна

         

         Исследование влияния легирования на фазовый состав и свойства жаропрочных 9%-ных хромистых сталей для элементов теплоэнергетического оборудованияКозлов, Павел Александрович

         Влияние термической обработки и химического состава низколегированных сталей на коррозионную стойкость и хладостойкость металла трубопроводов, эксплуатируемых в условиях Самотлорского месторожденияМедведев, Александр Павлович

         

         Исследование влияния технологических факторов и химического состава на микроструктуру и свойства жаропрочных никелевых сплавов при направленной кристаллизацииВасильчук Максим Владимирович