Введение к работе
Актуальность проблемы. Сплавы на основе алюмннида титана (ТІ3ЛІ) являются перспективными материалами для изготовления высоконагруженных деталей двигательных установок и корпусных элементов авиакосмической техники благодаря высокой удельной жаропрочности и жаростойкости, модулям упру гост и другим свойствам, обеспечивающим эксплуатационную надежность конструкций. Однако хрупкость при нормальной температуре и низкая технологичность при обработке давлением сильно затрудняют получение из этих сплавов деформированных полуфабрикатов и готовых изделий.
К настоящему времени созданы опытные сплавы с а2->-Р(В2)-стр\ ктурой. наиболее известными из которых являются "сь" и "супер-сь" (США), а также Вії 1-І (Россия). Технологичность при горячей обработке давлением и небольшая пластичность при нормальной температуре (относительное удлинение при испытании на растяжение 2....3%) обеспечиваются в этих сплавах наличием малопрочной и пластичной Р-фазы. Однако все они содержат достаточно большое количество ниобия (19....25 масс. %). а также другие тяжелые и дорогостоящие элементы. Высокая объемная доля Р-фазы не позволяет реализовать весь рес\ре жаропрочности сплавов, т.к. приводит к разупрочнению и развитию полз} чести при температурах свыше 650С. Кроме того эти сплавы имеют достаточно высокую плотность (4.6....4.8 t/cmj). что снижает удельную жаропрочность и не обеспечивает конкурентноспособность с никелевыми суперсплавамн и жаропрочными сталями при температурах свыше 650ПС. Использование дорогостоящих компоненто», сложность технологии. низкий коэффициент использования материала обусловливают в конечном итоге высокую стоимость полуфабрикатов.
Использование более экономичной технологии фасонного литья затруднено тем обстоятельством, что неудовлетворительная литая структура сплавов на основе "П3АІ практически не поддается преобразованию традиционными методами термической обработки (без применения пластической деформации).
С учетом указанных недостатков этой группы сплавов в МАГИ им К.').Циолковского был разработай новый сплав 7115 (патент РФ Л".О0Х1Ч2Ч) с пониженным до 3....4% содержанием ниобия, что позволило снизить плотность до 4.3 т/см' и. соответственно, повысить удельную жаропрочность и \меньшим, стоимость. Наиболее эффективным способом повышения и.таеінчноспі и технологичности при горячей деформации сплава является применение водородной
ісміо.іоїші: гермоводородной обработки (ТВО) для управлення структурой н обеспечения наилучшего сочетания механических свойств и эффекта водородного пластифицирования (ВП) для повышения технологичности при горячей деформации. Однако для целенаправленного, обоснованного применения этих tcMUUoniH. основанных на обратимом легировании водородом, необходимо пронести комплекс исследований по влиянию водорода на закономерности формирования фазового состава и структуры сплава при различном термическом и»(действии, процессы упорядочения и разупорядочения сь-фазы, исследовать влияние различных типов формирующейся структуры на механические и іечно.іопіческне свойства и т.д.
Целы» работы является установление закономерностей влияния водорода на формирование фазового состава и структуры сплава 7115 при различной іермпческоіі обработке и разработка на этой основе схем и режимов іермоводородной обработки, обеспечивающих наилучшее сочетание механических скойсів при нормальной и повышенной температуре и технологичности при обработке давлением.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
определить влияние водорода на фазовый состав сплава при температурах от 20 до 1200"С:
исследовать фазовые и структурные превращения в сплаве, легированном водородом, при различных видах термического воздействия как в воздушной атмосфере, так и в вакууме;
определить влияние концентрации введенного водорода и режимов вакуумного отжига на параметры структуры;
разработать режимы термоводородной обработки сплава 7115, обеспечивающие наилучшее сочетание механических и технологических свойств.
Научная поката работы:
I. Определен фазовый состав сплава 7115с содержанием водорода от 0,003 до 1.11"» по массе в интервале температур от 20 до 120()"С. Установлено, что іспіронаине водородом приводит к снижению температур (а(сі;>)+р)/р- и р/(а+Р) -псрсчодои на 250 и I 8()"С. Увеличение концентрации водорода приводне к смене іексаіопальною марсепепса а' ромбическим а", а при его содержании более 0.5% -
к образованию однофазном Р-структуры при закалке из р-областн. Показано, что в сплаве с содержанием водорода более 0.4% при охлаждении из Р-области до температур ниже 750"С образуется гпдрпдная фаза ТІ3АІН. а при содержании водорода более 0.7% происходит частичный эвтектопдный распад Р-фазы с выделением гидрида ТіНх и сь-фаэы. Установлено, что увеличение концентрации водорода от 0.003 до 0.4% приводит к снижению температуры упорядочения а-фазм при охлаждении и разупорядочения а:-фазы при нагреве. Построены диаграммы "фазовый состав - температура - концентрация водорода".
2. Определен фазовый состав сплава 7115. легированного водородом,
формирующийся при непрерывном охлаждении из Р-областн до нормальной
температуры с различными скоростями. Установлено, что введение водорода
приводит к снижению критических скоростей охлаждения, а также скороеіеіі
охлаждения, соответствующих началу упорядочения а-фазы. Показано, что п силапс
с содержанием водорода более 0,6% при охлаждении со скоростями ниже 1 К" с
реализуется частичный эвтектопдный распад р-фазы с выделением гидрида Tillx
Построена диаграмма "фазовый состав - скорость охлаждения - концентрация
водорода".
3. Установлены закономерности распада метастабнльных ф;п.
зафиксированных закалкой из Р-области, при изотермических выдержках в
интервале температур от 500 до 750С. Увеличение концентрации водорода or 0.25
до 0.7% приводит к уменьшению времени до начала упорядочения а-фазы. В сплаве
с содержанием водорода более 0.25% при длительных выдержках (15 часош
происходит выделение гидрида ТіП\. а при содержании водорода более 0.35%
образуется гндрнлпая фаза TijAlH. причем минимальное время до ее выделения
наблюдается при температуре около 600 С и уменьшается с ростом концентрации
водорода. Построены диаграммы "фазовый состав - температура - время выдержки"
для сплава 7115 с различным содержанием водорода.
4. Построена диаграмма фазового состава, формирующегося п наполорожепноч
сплаве 7115 в процессе непрерывного нагрева в вакууме. Определены
температурные границы устойчивости гндрндных фаз при дегазации сплава.
Показано, что водород способствует более высокой устойчивости \ порч.юченною
состояния металлической подрешетки ауфазы.
5. Установлено, что в результате вакуумного отжига при ісмпср;іі>р.і\. не
превышающих W0 С. и сплаве с начальным содержанием водорода Лидсе п.б"„
форчируеіся бимодальная структура, в которой первичная сь-фаза содержит 15.1....15.6"о Л1. что близко к концентрации алюминия в иптерметаллнде ТІ3АІ, а щорн'иия u-фаза обеднена алюминием по сравнению с первичной а2-фазой.
(і. Усіановлена зависимость размеров зерна сь-фазы от концентрации введенного и сплав водорода и температуры последующего вакуумного отжига. Покаишо. чю при температурах вакуумного отжига до 850НС увеличение начальной концентрации водорода приводит к росту объемной доли мелкопластинчатой июрнчноп а-фазы и уменьшению размеров полиэдрических зерен первичной сь-фаїм в конечной структуре.
Практическая значимость работы
Разработаны режимы термоводородной обработки сплава 7115, включающие насыщение водородом до концентраций 0,45....0.6% при температурах 900....800С (в і и;-(і (-области) и вакуумный отжиг при температурах от 750 до 950С. Показано, что максимальную прочность (ав=1350 МПа при 20С и 890 МПа при 650С) и пластичность (6=3.7% при 20С и 36% при 650С) обеспечивает бимодальная структура с объемной долен первичной глобулярной сь-фазы около 60%, формирующаяся в результате ТВО с 0,6% водорода и температурой вакуумного отжига 850'С. Установлено, что введение в сплав 0,6% водорода обеспечивает максимальное снижение усилий деформирования при температурах до 1050С.
Апробация работы. Материалы работы доложены на 7 научно-технических конференциях и семинарах.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 9 работах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех її.т. общих выводов по работе, списка использованной литературы из 128 наименований. Изложена на 107 страницах машинописного текста, содержит 59 рису икон и 16 таблиц.
