Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы б
1.1. Критерии жаропрочности титановых сплавов
1.2. Жаропрочные титановые сплавы: химический состав и свойства
1.3. Структура жаропрочных титановых сплавов, влияние интерметаллидов
1.4. Постановка задачи исследования 39
2. Материал и методика исследования 42
3. Исследование влияния режимов термической обработки и влияния выделения частиц интерметаллидов на структуру и свойства сплава ВТ18У
3.1. Влияние температуры нагрева и скорости охлаждения на структуру титановых сплавов
3.2. Влияние кремния на поведение сплава ВТ18у при повышенных температурах нагрева
3.3. Влияние старения на поведение сплава ВТ18у
Выводы
4. Исследование влияние легирования кремнием и цирконием и режимов термической обработки на механические свойства и структуру сплавов IMI834 И Ti-8Al-lMo-lV
4.1. Сплав IMI834
4.2. Сплав Ti-8Al-lMo-lV 126
Выводы 145
5. Общие выводы 147
6. Библиографический список 149
7. Приложение 16
- Жаропрочные титановые сплавы: химический состав и свойства
- Влияние кремния на поведение сплава ВТ18у при повышенных температурах нагрева
- Влияние старения на поведение сплава ВТ18у
- Сплав Ti-8Al-lMo-lV
Введение к работе
Актуальность работы:
Титан и его сплавы находят все более широкое применение в различных отраслях промышленности. При этом наиболее привлекательным остается применение титана для двигателей и как материала для конструкций в области авиации и космонавтики, где наиболее полно используется весь уникальный комплекс его свойств. В связи с этим вопросы жаропрочности титановых сплавов приобретают особую актуальность.
К настоящему времени исследования жаропрочных титановых сплавов в большей степени проводились для двухфазных а + р-сплавов. Жаропрочные псевдо-а сплавы, особенно отечественные, изучены в гораздо меньшей степени. Кроме того, при исследовании и подборе режимов обработки жаропрочных сплавов основное внимание уделяется морфологии и поведению основных фаз - а и р. Однако если не учитывать выделения интерметаллидных частиц и их влияние на свойства сплавов, то невозможно получить истинную картину формирования их структуры и свойств. Изучение влияния выделений интерметаллидов будет способствовать грамотному и осознанному подбору режимов нагрева и термической обработки. Проведенные до настоящего времени работы по исследованию выделений интерметаллидов в псевдо-а титановых сплавах дают противоречивую информацию по их влиянию на служебные характеристики и требуют уточнения.
В титановых сплавах имеются области температур, в которых возможно существование нескольких интерметаллидных фаз. В этом случае их совместное влияние на характеристики сплава будет более сложным, чем у каждой интерметаллидной фазы по отдельности. Поэтому, совместное влияние интерметаллидов необходимо также учитывать.
В связи с вышеизложенным в работе были поставлены следующие
задачи:
Изучить влияние кремния на процессы образования и роста частиц силицидов, а также их роль в формировании технологических и служебных характеристик псевдо-а титановых сплавов.
Установить характер поведения силицидов и алюминидов в области
температур их совместного существования и их взаимное влияние на
характеристики псевдо-а титановых сплавов.
С учетом влияние частиц интерметаллидов выяснить возможности получения улучшенного комплекса свойств, включая повышенную жаропрочность, для псевдо-а титановых сплавов со структурой глобулярного типа.
Дать практические рекомендации по назначению режимов термической
обработки и/или корректировке химического состава жаропрочных
псевдо-а титановых сплавов для получения наиболее оптимального
комплекса механических свойств.
Научная новизна:
Проведено систематическое исследование выделения силицидов и алюминидов в псевдо а-титановых сплавах ВТ18у, IMI834 и Ti-8Al-lMo-lV при высокотемпературном нагреве и старении и установлено их влияние на механические свойства при комнатной и повышенных температурах.
Впервые установлено, что в псевдо-а-титановых сплавах, содержащих цирконий, выделения силицидов могут происходить даже при содержании кремния «0,1 вес. %.
Показано, что возможно получить высокие характеристики жаропрочности для псевдо-а-титановых сплавов и с глобулярной структурой.
Доказано, что в титановых сплавах после выдержки в верхнем интервале температур а+В-области и охлаждении на воздухе а-фаза вьщеляется не только в виде дисперсных вторичных пластин, но некоторая ее часть
выделяется на уже сформировавшихся частицах первичной а-фазы, увеличивая их размеры и количество этой фазы в структуре сплава.
Практическая ценность:
На основании проведенных экспериментов разработаны и опробованы на ОАО ВСМЕЮ режимы термической обработки, при которых выделения силицидов и алюминидов оказывают минимальное отрицательное влияние на свойства псевдо-ос-сплавов.
Показано, что при использовании разработанных режимов термообработки нет необходимости ограничивать содержание кремния в псевдо-а-сплавах для того, чтобы он максимально находился в твердом растворе, напротив, лучшие показатели жаропрочности достигаются при максимальном его содержании.
Используя оптимальное дополнительное легирование кремнием и цирконием сплава Ti-8Al-lMo-lV, а также применяя разработанные режимы термообработки предложены модификации данного сплава с улучшенными показателями жаропрочности.
Апробация работы. Материалы диссертации были доложены и обсуждены на 16-ой Уральской школе металловедов-термистов, Уфа, 2002г., на 3-ей отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО УПУ-УПИ, Екатеринбург, 2002г., 5-ой Уральской школе-семинаре металловедов -молодых ученых, Екатеринбург, 2003г., 5-ой отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО УПУ-УПИ, Екатеринбург, 2004г., Международной научно-технической конференции "Теория и практика процессов пластической деформации - 2004", Москва, 2004г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, и выводов, изложена на 160 страницах машинописного текста, содержит 19 таблиц, 48 рисунков. Библиографический список включает 101 наименование.
Жаропрочные титановые сплавы: химический состав и свойства
Титан имеет относительно высокую температуру плавления -1668С (для сравнения у никеля - 1450С) и с общих позицийможно было бы предположить его относительно высокую жаропрочность. Ряд авторов [23, 24] объясняют влияние легирования на жаропрочные свойства исходя из прочности химической связи: чем больше эти элементы повышают силы- связи, тем больше жаропрочность сплава. О силах связи косвенно худят по характеристической температуре и величине среднеквадратических отклонений атомов от положения равновесия в решетке. Однако, характеристики жаропрочности титана более низки по сравнению со сплавами на никелевой основе или даже легированными сталями с ферритной или аустенитной матрицей. Такое противоречие связано с наличием у титана полиморфного превращения при относительно невысокой температуре - 882С, вследствие чего силы связи, определяющие диффузионную подвижность атомов, малы.
Многочисленные работы отечественных и зарубежных исследователей [8, 25-28] показали, что для создания высокого сопротивления ползучести при повышенных температурах необходимо использовать в качестве основы а-фазу, упрочненную путем легирования, твердого раствора. При этом, как следует из-вышесказанного, одним из путей повышения термической стабильности является повышение температуры а/р перехода за счет легирования а-стабилизаторами: алюминием, кислородом, углеродом, азотом. Из этих элементов наиболее значимым является алюминий, который существенно увеличивает силу связи в а-твердом растворе и способствует росту соотношения параметров; гексагональной плотноупакованной решетки с/а с 1,587 для нелегированного титана до. 1,593 при 6 вес % алюминия [29]. Увеличение с/а уменьшает возможность призматического и пирамидального скольжения и, тем, самым, тормозит протекание процессов разупрочнения.
Жаропрочность сплава повышают также добавки олова, циркония [30] и галлия [31]. Температура полиморфного превращения; при легировании алюминием, галлием повышается, при легировании оловом проходит через минимум, при легировании цирконием сначала сдвигается в сторону более низких температур и снова повышается при более высоком содержании легирующего элемента Цирконий полностью растворяется как в а- так и в р-фазе [8].
Наиболее высокая прочность при повышенных температурах наблюдается у сплавов, содержащих алюминий за счет образования сверхструктурной фазы ТізАІ (аг-фазы). Однако, эта фаза сильно охрупчивает сплав при низких температурах и резко снижает его технологическую пластичность, поэтому содержание алюминия в большинстве титановых сплавов обычно не более 7%. Именно по этой причине до сих пор не получили широкого внедрения титановые сплавы на основе алюминидов, несмотря на уникальность их жаропрочных свойств.
Считается, что использование этого ограничения; позволяет предотвратить выделения частиц алюминидов и обеспечить сохранения; минимально допустимого уровня пластичности (5 5%, І0%). С другой стороны использование данного критерия ограничивает возможности увеличения жаропрочности сплава за счет повышения его температуры полиморфного превращения. Можно сказать, что в; современных сплавах эта возможность уже полностью использована, и повысить температуру полиморфного превращения выше уже достигнутого уровня практически невозможно. Эти соображения существенно огранивают применение однофазных титановых; сплавов в качестве жаропрочных. Существует лишь ограниченное число таких сплавов, например, из отечественных, ВТ5-1 (Ti-5Al-2,5Sn). Область их применения ограничивается температурами до 300С [35];
Другим, более перспективным путем создания жаропрочных титановых сплавов является создание многокомпонентных систем с использованием элементов, стабилизирующих Р-фазу и понижающих температуру полиморфного превращения. Известно, что при наличии в сплаве алюминия добавки элементов, понижающих точку превращения (например, молибдена) ведут к дальнейшему повышению жаропрочности (правда, лишь до известного предела) [2]. Большие работы по разработке титановых сплавов с использованием многокомпонентного легирования проводились Всероссийским Институтом Авиационных Материалов [36].
Очень интересным и перспективным легирующим элементом является кремний, который, хотя и является элементом замещения, но имеет значительную разницу в атомных размерах с титаном (0,134 и 0,147нм соответственно) и активно проявляет ковалентные связи: [29]; Он является 3-стабщшзатором, но достаточно хорошо растворим и в ос-фазе. Известно [23], что кремний предпочтительно сегрегирует на дислокациях и, тем самым, способствует повышению термической стабильности сплавов, а за счет образования скопления его атомов на дислокациях происходит снижение скорости ползучести металла [39]. Однако, при превышении предельной растворимости кремния в твердом растворе, происходит образование частиц силицидов. О влиянии кремния и силицидов на структуру и- свойства титановых сплавов будет более подробно описано в следующем разделе литературного обзора.
Присутствие в сплаве некоторого количества стабильного Р-твердого раствора, который легирован элементами с низкой диффузионной подвижностью атомов, способствует увеличению сопротивления ползучести при: высоких температурах: Низкую» диффузионную подвижность обеспечивают использованием для легирования элементов с высокой (выше, чем у титана) температурой плавления, в основном циркония, молибдена; ниобия. Иногда применяются вольфрам и тантал, но их использование крайне ограничено. Наличие в сплаве Р-фазы улучшает деформируемость сплава, поскольку она1 имеет лучшие характеристики пластичности. Кроме того, в двухфазной структуре при деформации и термообработке появляется большое количество межфазных границ. Их наличие уменьшает длину свободного пробега дислокаций и, тем самым повышает прочность сплава [33].
Влияние кремния на поведение сплава ВТ18у при повышенных температурах нагрева
Для исследования влияния содержания: кремния были выплавлены два опытных слитка из сплава ВТ18у: "№1! с содержанием кремния 0,25 вес. % и №2 с, содержанием кремния 0,10 вес. %.
Содержание остальных элементов; в слитках практически одинаково. Данное содержание кремния соответствует верхнему и- нижнему допустимому, уровню в соответствии І с маркой сплава. Химический состав сплавов приведенв таблице 3:2. Из слитков были изготовлены» прутки 020 мм путем прокатки в сс+р области при температуре (Тпп -20С). Температура полиморфного превращения для; сплава №1 составлялаЛ001 оС, для сплава №2;Тпп.= 997 С.
В ряде работ, например [100]; при; изучении взаимодействия между легирующими элементами отмечалось, что кремний оказывает заметное влияние на ударную вязкость сплава с цирконием, причем степень его влияния тем больше чем больше кремния в сплаве: Авторы работы; [101] утверждают, что- даже в закаленных образцах кремний в присутствии, циркония охрупчивает сплав (работа проводилась, на сплаве Ti-6AI-5Zr-0,25Si, температура нагрева под закалку составила 860?С). Поэтому для; проверки влияния кремния: были проведены испытания характеристик ударной вязкости - KCU и КСТ после одноступенчатой; термообработки при; повышенных температурах.. В; исходном горячекатаном состоянии значения KGU составляло 0,34 МДж/м , КСТ - 0,072 МДж/м для сплава №1, а для сплава №2 0,46 и 0,17 МДж/м соответственно. Исходная микроструктура приведена на рис. 3.5. Температуры нагрева были выбраны 850, 900, Тпп - (50, 40, 30, 20, 10)С.
КСТ до 0,40МДж/м). Это снижение связано с изменением соотношения количества фаз в сплаве, т.е. с увеличением доли глобулярной а-фазы в структуре. При дальнейшем снижении температуры нагрева до 850С происходит резкое снижение значений KCU и КСТ. Для сплава №1 снижение значений характеристик ударной вязкости происходит более плавно без значительных перепадов. При температуре нагрева 850С значения этих характеристик для обоих сплавов становятся близкими: для сплава №2 KCU = 0,ЗЗМДж/м2, КСТ = 0,1МДж/м2; для сплава №1 соответственно 0,24 и 0,043 МДж/м2. Сплавы №1 и №2 прошли одинаковый цикл обработки и имеют одинаковый химический состав за исключением содержания кремния. Поэтому очевидно, что именно содержание кремния оказывает такого рода влияние на хар актеристики ударной вязкости сплавов. Если обратиться к диаграмме равновесного состояния системы, Ті - Si; то видно, что при температуре 860С происходит эвтектоидное превращение с образованием силицидов TisSi3, обозначаемого Si. Эти силициды, как правило, выделяются на межфазных границах в виде вытянутых частиц [54]. Выделение таких частиц в интервале температур 850 - 900С хорошо коррелирует с изменением значений ударной вязкости (рис. 3.6) и можно с большой долей вероятности предположить, что именно это является причиной ее резкого снижения в сплаве №2.
Для подтверждения выделения частиц силицидов проведено электронномикроскопическое исследование сплава №2 после выдержки в. течение одного часа при температуре 850С с последующим охлаждением на воздухе. Исследование показало, что в сплаве имеются участки как с рекристаллизованной (рис, 3:7а), так и с рекристаллизованно-полигонизованной структурой (рис. 3.76). В структуре сплава наблюдаются, множество частиц силицидов размерами 0,08 0,15мкм (рис. 3.7в, г), располагающихся как по границам, так и внутри а-зерна: На рис. 3.8Г приведено их темнопольное изображение.
Цирконий обладает большей, чем титан, склонностью к образованию фаз внедрения, из-за его положения в периодической системе:.так как его валентные электроны слабее связаны с ядром, тс их обобществление при образовании силицида происходит более легко. Сплав ВТ18у содержит цирконий, поэтому образующиеся силициды будут комплексными, состава (ТІ, Zr)xSiy..
В работе [72] показано, что образование силицидов; в системе титан - кремний возможно только при концентрации, кремния, не менее 0,4 вес. %, а в системе Ti-(6%Al-3%Sn-3%Zr)-S і уже при 0;15% Si. Из результатов работы видно, чтов псевдо-а-титановом сплаве ВТ18у, содержащем порядка 4% циркония, выделение силицидов происходит даже при концентрации кремния 0,1 вес. %, что соответствует минимальному его; содержанию для данной- марки сплава; Отсюда следует, что для псевдо-а сплавов, содержащих кремний и цирконий при назначении режимов обработки необходимо всегда учитывать влияние этих элементов на свойства.
Влияние старения на поведение сплава ВТ18у
В предыдущем разделе исследованы характеристики сплава ВТ18у после различных режимов высокотемпературной обработки. Представляет также интерес изучить закономерности поведения, сплава после старения, определить, происходит ли; при этом выделение интерметаллидов, и какое влияние они оказывают на свойства материала
Поскольку из ранее проведенных исследований уже известно, что выделения частиц силицидов оказывают отрицательное влияние на свойства материала, то основное внимание в данной части: работы уделялось тому, как это отрицательное влияние свести к минимуму или вообще избежать. Поэтому режимы термообработки; выбирались таким образом, чтобы попытаться исключить или свести к минимуму выделение частиц силицидов. Из этих соображений температура первой ступени термообработки была выбрана; (Тпп; - 20?С) (основываясь на исследованиях, описанных в; предыдущем разделе). При выборе температуры старения учитывалось, что для двухфазных; титановых сплавов максимальная скорость выделения силицидов наблюдалась при 700-750С [55]. Исходя; из этого, старение проводилось при- температурах: 500; - 550, 600, 650С с выдержкой 2 часа; Механические свойства при комнатной температуре приведены на графиках рис; ЗЛ5.
Анализ механических: свойств сплавов № 1 и №2 после старения показывает следующее:
1. Уровень прочностных свойств обоих сплавов близкий; У сплава № V с более высоким; содержанием кремния в: целом несколько более высокие значения: ав и несколько более; низкие - оо,2- Максимальные; значения?. временного сопротивления разрыву наблюдаются в интервале температур старения 550-600С;
2. Уровень пластических характеристик обоих сплавов при всех режимах старения; также практически одинаков. Значения относительного удлинения не зависят от температуры старения, величина относительного сужения несколько снижается при повышении температуры старения от 500 до 650С и его значение немного выше для сплава с более низким содержанием кремния;
На образцах после испытаний на ударную вязкость проведено микрофрактографическое исследование изломов (рис. 3.17, 3.18). Изломы всех образцов однородные. Рельеф поверхности разрушения; образцов, состаренных при температуре 500С, сформирован Микроструктура образцов сплавов ВТ18у после старения, х500 а-№1, 500С; б-№1, 600С; в- №2, 500С; г- №2, 600С относительно равноосными ямками вязкого разрушения1 (рис,3.17). После старения при 600С в І изломе наряду с ямками вязкого разрушения наблюдаются фасетки— относительно гладкие площадки. На некоторых из них видны параллельные ступеньки (рис. 3.18). Это свидетельствует о том, что после старения при 600С происходит понижение локальной пластической деформации. Зависимости особенностей изломов от температуры старения просматриваются для образцов обоих, сплавов. Таким: образом, фрактографическое исследование показывает, что при повышении температуры старения начинают действовать какие-то дополнительные факторы, охрупчивающие металл.
Весьма вероятно, что эти дополнительные факторы связаны с выделениями в сплаве интерметаллидов. По поводу того, какие именно интерметаллиды влияют на механические свойства сплава, можно провести следующие рассуждения, приведенные ниже.
Результаты испытаний ударной вязкости (рис. 3.15) показывают их снижение с увеличением температуры старения вне зависимости от уровня содержание кремния в сплаве. Электронномикроскопическое исследование после термообработки при 940С показало отсутствие выделений силицидов в сплаве №2 с низким содержанием кремния. После: отжига при температуре первой . ступени (Тпп - 20С) (980С) их выделение тем более не должно происходить. Выбранные температуры старения недостаточно высокие для того, чтобы ожидать интенсивную кинетику их выделения. Известно, что выделения алюминидов подобно силицидам также охрупчивают сплав, снижая, в первую очередь, характеристики ударной вязкости. Для сплава ВТ25у максимальная скорость выделения аг-фазы наблюдалась при 560С.
Сплав Ti-8Al-lMo-lV
Сплав Ti-8Al-lMo-lV также относится к группе псевдо-а: титановых сплавов, имеет хорошие характеристики жаропрочности при температурах до 455С [45] Применяется для изготовления лопаток и дисков высокотемпературных газотурбинных двигателей. Сплав содержит относительно высокое содержание а-стабилизирующих элементов (алюминия) и довольно низкое содержание р-стабилизаторов (молибдена и ванадия). Он не содержит в своем составе ни кремния, ни циркония, и его рабочие температуры ниже, чем у сплавов ВТ 18у и IMI834.
На сплаве Ti-8Al-lMo-lV проводилось исследование влияния; легирования кремнием и цирконием и режимов термической обработки для изучения возможностей улучшения его жаропрочных свойств. Для этого были выплавлены три опытных слитка: - № 6 — стандартного состава; 127 - № 7 - с добавлением ОД вес. % кремния; - № 8 - с добавлением 2 вес. % циркония и ОД вес. % кремния. Фактическое содержание химических элементов в сплавах приведено в.таблице 4.6. Температура полиморфного превращения всех сплавов, определенная металлографическим методом способом пробных закалок, составила 1040±3С.
Из слитков были изготовлены прутки 0 20мм путем прокатки в а+В области при температуре (Тпп - 20С). Типичная микроструктура прутков в горячекатаном состоянии приведена на рис. 4.10, механические свойства - в таблице 4.7.
Максимальные значения ударной вязкости для всех сплавов наблюдается после выдержки при температуре 1020 (Тпп - 20)С, при этом они даже выше, чем после выдержки в р-области при температуре Ю60; (Тпп + 20)С. При снижении температуры выдержки от 1020 до 750С на сплавах № 6 и № 7 происходит постепенное снижение KCU, связанное с увеличением количества первичной а-фазы и, соответственно, уменьшением; доли смеси пластин Р- и вторичной а-фаз. Сплав № 8 при снижении температуры выдержки1 от 1020. до 900С ведет себя аналогичным образом, при; дальнейшем ее уменьшении до 850С происходит более резкое падение ударной вязкости с 0,45 до 0,33 МДж/м2.
Сплав №8 содержит 0,13 вес. % кремния и «2 вес. % циркония и изменение характера поведения KCU в интервале температур 850-900С полностью аналогично поведению сплава ВТ18у № 1 (содержания кремния «0,1 вес. %, содержание циркония «4 вес. %) в том же интервале температур (рис. 3.6). Следовательно, это, как и для сплава ВТ18у, может быть объяснено тем, что в присутствии циркония в сплаве №8 при температурах ниже 900С начинается выделение силицидов, следствием которого является более значительное снижение ударной, вязкости, чем то, которое связано только с изменениями микроструктуры; Таким образом, еще раз обобщая результаты, полученные при исследовании сплавов ВТ 18у, IMI834 и Ti-8Al-lMo-lV, можно сказать, что в жаропрочных псевдо-а-титановых сплавах, содержащих цирконий,; в отличие от жаропрочных а+р-сплавов, выделения силицидов могут происходить даже при содержании кремния »0,1 вес.% и менее.
Было исследовано влияние двухступенчатых режимов отжига, включающих гомогенизацию и старение на: свойства сплавов. Для этого все сплавы были термообработаны по следующим режимам: 1. Нагрев на температуру 995С, выдержка 1 час, охлаждение на воздухе; нагрев на температуру 730С, выдержка 2 часа, охлаждение на воздухе — один из стандартных режимов термообработки штамповок лопаток высшего качества. 2. Нагрев на температуру (Тпп - 20С) (1020С), выдержка 1 час, охлаждение на воздухе; нагрев на температуру 500С, выдержка 2 часа, охлаждение на воздухе - при этом режиме на сплавах ВТ18у и ГМЇ834 наблюдался лучший комплекс механических свойств. Результаты испытаний механических, свойств; при комнатной и повышенной температурах приведены в таблицах 4.8 - 4.9; Типичная микроструктура сплавов после указанных выше режимов термообработки приведена на рис. 4.121 После термообработки по режиму: нагрев на температуру 995С, выдержка 1 час, охлаждение на воздухе; нагрев на температуру 730С, выдержка 2 часа; охлаждение на воздухе - в структуре всех сплавов присутствует большее количество первичной а-фазы, в основном в сфероидизированном состоянии, чем после термообработки: по режиму: нагрев на температуру (Тпп - 20С) (1020)С, выдержка 1; час, охлаждение на воздухе; нагрев на температуру 500С,. выдержка. 2 часа, охлаждение на воздухе — так как температура высокотемпературной ступени отжига для первого из режимов ниже.
