Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Состояние вопроса 9
1.1. Интерметаллические соединения, как основа жаропрочных сплавов 9
1.1.1 Принципы повышения пластичности сплавов на основе интерметаллидов 11
1.1.2 Принципы повышения жаропрочности и термической стабильности сплавов на основе интерметаллидов 16
1.1.3 Актуальность развития и область применения сплавов на основе интерметаллидов титана 20
1.2 Жаропрочные сплавы на основе интерметаллидов системы Ti-Al 22
1.2.1 Строение и свойства интерметаллидов Ті3А1 и ТІА1 22
1.2.2 Классификация сплавов на основе интерметаллидов системы Ti-Al 28
1.3 Жаропрочные сплавы на основе интерметаллидов системы Ti-Al-Nb 32
1.3.1 Строение и структурно-фазовые превращения в сплавах системы Ti-Al-Nb 32
1.3.2 Интерметаллидные титановые сплавы на основе фазы Ti2AlNb 47
1.4 Заключение по литературному обзору и постановка задач исследования 53
Глава II. Объекты и методы исследования 56
2.1 Объекты исследования 56
2.2 Методы исследования 59
Глава III. Исследование интерметаллидного титанового сплава ВТИ-4А с повышенным содержанием алюминия 63
3.1. Разработка технологии выплавки интерметаллидного титанового сплава ВТИ-4А с повышенным содержанием алюминия 64
3.2. Определение допустимой степени деформации интерметаллидного титанового сплава ВТИ-4А с повышенным содержанием алюминия 73
3.3. Исследование влияния параметров термомеханической обработки на структуру интерметаллидного титанового сплава ВТИ-4А с повышенным содержанием алюминия 83
3.4. Исследование влияния параметров термомеханической обработки на фазовые превращения интерметаллидного титанового сплава ВТИ-4А с повышенным содержанием алюминия 90
Выводы по главе III 97
Глава IV. Влияние режимов деформационной и термической обработок на структуру, фазовый состав и механические свойства интерметаллидного титанового сплава ВТИ-4А с повышенным содержанием алюминия 100
4.1. Влияние термической обработки на механические свойства интерметаллидного титанового сплава ВТИ-4А с повышенным содержанием алюминия 100
4.2. Влияние деформационной обработки на структурно-фазовый состав и механические свойства интерметаллидного титанового сплава ВТИ-4А с повышенным содержанием алюминия 114
Выводы по главе IV 121
Глава V. Разработка технологии изготовления штамповок и исследование влияния алюминия на структуру, фазовый состав и механические свойства интерметаллидного титанового сплава ВТИ-4 123
5.1 Разработка технологии изготовления штамповок из интерметаллидного титанового сплава ВТИ-4 123
5.2 Влияние алюминия на структуру, фазовый состав и механические свойства интерметаллидного титанового сплава ВТИ-4 132
Выводы по главе V 146
Основные выводы по работе 149
Список литературы
- Актуальность развития и область применения сплавов на основе интерметаллидов титана
- Определение допустимой степени деформации интерметаллидного титанового сплава ВТИ-4А с повышенным содержанием алюминия
- Влияние деформационной обработки на структурно-фазовый состав и механические свойства интерметаллидного титанового сплава ВТИ-4А с повышенным содержанием алюминия
- Влияние алюминия на структуру, фазовый состав и механические свойства интерметаллидного титанового сплава ВТИ-4
Актуальность развития и область применения сплавов на основе интерметаллидов титана
С другой стороны, получение заготовок с глобулярной структурой, хотя и обеспечивает максимально возможные значения статической пластичности материала, но сопровождается существенным падением жаропрочных характеристик, в том числе и сопротивления ползучести, что делает такой материал малоэффективным.
Таким образом, в настоящее время для жаропрочных и интерметаллидных титановых сплавов наиболее приемлемой считается бимодальная структура и структура корзиночного плетения, которая обеспечивает оптимально возможный компромисс различных свойств необходимых при эксплуатации деталей.
Управление структурой, фазовым составом и, соответственно, механическими свойствами материалов возможно и с помощью интенсивной пластической деформации. Методы, использующие интенсивную пластическую деформацию, например, сдвиг под давлением или равноканальное угловое прессование (РКУ), успешно применяются для измельчения структуры различных материалов и существенно улучшают комплекс их механических свойств. Особенно это касается алюминидов титана (Ti3Al, TiAl, Ti2AlNb) с их недостаточной пластичностью при комнатной температуре, поэтому измельчение зерна в этих хрупких материалах для повышения пластичности является актуальным. С другой стороны, известно, что интерметаллиды отличаются от обычных материалов наличием сверхструктуры. Поэтому при интенсивной деформации в интерметаллидах могут протекать фазовые превращения, связанные с изменением степени дальнего порядка, например, в интерметаллидах Ni3Al и TiAl, Ti2AlNb в процессе пластической деформации сдвигом под давлением обнаружено образование разупорядоченных фаз [20-24].
Установлено, что кроме размера зерна на низкотемпературную пластичность оказывает влияние тип межзеренных границ и характер соотношения между основными модами деформации двойникованием и скольжением. В yiAl сплаве (50,7 % (ат.) А1), размер зерна которого варьировали в процессе изотермической ковки и отжига в пределах 0,4-17 мкм, максимум пластичности (8 = 4-6,9 % при -температуре 20 С) реализуется при среднем размере равноосных зерен 8 мкм и скорости деформации (3,3-10" - 8,3-10" ) с" . Это связано с развитием в большинстве зерен двойникования по одной системе, при котором достигаются наилучшие условия для обеспечения межзеренной деформации [2,25, 26].
Пластичность и вязкость разрушения определяются также природой избыточной фазы, размером, формой и характером распределения ее частиц. Как показали работы ФГУП «ВИАМ» и ИМЕТ относительно мелкие изолированные включения вязкой мягкой составляющей, например у-твердый раствор на основе Ni с ГЦК неупорядоченной структурой (5-15 % (об.)) в y -Ni3Al матрице, имеющие эвтектическое происхождение, обеспечивают при температуре 20 С удлинение 14-35 % и ударную вязкость 38-80 Дж/м независимо от размера зерна в пределах от мелкозернистой поликристаллической рекристаллизованной структуры до монокристаллов с различной кристаллографической ориентацией [27, 28]. Однако повышение легированности «мягких» неупорядоченных фаз может заметно снижать эффект пластифицирования.
Жесткие прочные фазы, представляющие собою либо другой интерметаллид, либо тугоплавкую фазу внедрения (оксид, карбид, нитрид, борид) во многих случаях являются полезными для повышения другой важной характеристики конструкционных материалов - вязкости разрушения К\С, за счет того, что распространение трещины тормозится на межфазные границах, где вершина трещины затупляется и трещина меняет направление [2, 29-31].
Учитывая, что однофазные сплавы y-ТіАІ благодаря особенностям их электронного строения и формирующейся в них дислокационной структуры являются хрупкими, легирование, обеспечивающее формирование избыточных фаз (например, a,2iAlj, имеет решающее значение как фактор пластифицирования. Оно может быть достигнуто как путем изменения структуры самой у-фазы (в присутствии аг-фазы), так и за счет получения оптимального соотношения а,2- и у-фаз. Эффект повышения пластичности при легировании объясняется влиянием на тетрагональность, объем элементарной ячейки, характер замещения позиций атомов титана или алюминия в решетке ТІА1, двойникование и изменения в электронной структуре [2, 5]. Существуют представления о том, что границы (а + у) / у и (а2 + у) / у при введении элементов (Мп, Сг, V) сдвигаются в сторону богатых титаном сплавов, понижая содержание алюминия в у-фазе. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению силы ковалентной связи, понижает величину и анизотропию напряжений Пайерлса, изменяя подвижность единичных дислокаций в у-фазе в присутствие а2-фазы, и увеличивает энергию дефектов упаковки, что в ведет к активации скольжения дислокаций и двойникования [6]. Предполагается также, что а2-фаза может играть роль геттера по отношению к у-фазе, поскольку растворимость элементов внедрения в а2-фазе выше, чем в у-фазе (растворимость кислорода в а2-фазе в 33 раза выше, чем в у-фазе).
Таким образом, управляя химическим составом на стадии разработки и выплавки сплава, структурой и фазовым составом в процессе термомеханической обработки можно оказывать существенное влияние на повышении пластических свойств интерметаллидных сплавов.
Определение допустимой степени деформации интерметаллидного титанового сплава ВТИ-4А с повышенным содержанием алюминия
При проведении исследований в работе применялись: спектральный рентгено-флуоресцентный, атомно-эмиссионный, металлографический и -60-рентгеноструктурный анализы, механические испытания, определение допустимой степени деформации и метод дифференциальной сканирующей калориметрии. Спектральный рентгено-флуоресцентный и атомно-эмиссионный анализы Спектральный рентгено-флуоресцентный анализ проводили на спектрометре S4 EXPLORER согласно ГОСТ 23902, который позволяет определять содержание химических элементов в наноструктурированных сплавах от углерода до урана в диапазоне концентраций от 10 ррт до 100%. анализ с индуктивно связанной плазмой проводили на атомно-эмиссионном спектрометре Varian 730ES по разработанной и аттестованной методике измерений МИ 1.2.016-2010. Металлографический анализ Визуальную оценку микроструктуры проводили методом светлого ПОЛЯ в воздушной среде на металлографическом микроскопе Versamet в соответствии с ПИ 1054 «Металлографический анализ титановых сплавов». Масштаб увеличения от 75 до 1200 крат.
Количественный фазовый анализ проводили на инвертированном оптическом микроскопе Leica DM IRM и стереомикроскопе Leica Mzl2,5 при увеличениях xlO - xlOOO крат по ГОСТ 21073-75. Съемку изображений вели при помощи цифровой камеры VEC-335 (3 мегапиксела), подготовку изображений к количественному анализу и их математическую обработку выполняли при помощи компьютерной программы Image Expert РгоЗх (при недостаточном качестве изображений для проведения автоматического количественного анализа, зерна обрисовывали вручную на графическом планшете «Wacom Intios A3»).
Площадь, на которой проводили количественный анализ на каждом образце, составляла до 2,6 кв.см. Количество измеренных Р-зерен - не менее 25 штук на образец. Размер первичных Р-зерен определяли при увеличениях 10 или 50. Определение величины (балла) зерна и построение гистограммы распределения Р-зерен по площадям проводили по ГОСТ 5639 и по «стандартное распределение» от минимального до максимального значения, этот интервал делили на 10 равных частей и по этим интервалам строили гистограммы распределения.
Рентгеноструктурный анализ Качественный фазовый анализ осуществляли с помощью рентгеновских дифрактометров общего назначения в соответствии с ММ 1.595-17-222-2004:
ДРОН-ЗМ с монохроматическим СиКа излучением. Рабочий режим съемки образцов: ускоряющее напряжение 30 кВ, анодный ток 30 тА, диапазон сканирования углов по 29 от 20 до 90. Расшифровка дифрактограмм проводилась с помощью программы Jade 5 и базы данных PDF-2.
ДРОН-4-07 с монохроматическим СиКа излучением. Параметры съёмки: ускоряющее напряжение 35 кВ, анодный ток 20 мА. Скорость съёмки составляла 2 град./мин., скорость счета импульсов усиливалась автоматически в пределах от 1000 до 40000 с" . В процессе съемки использовали гониометрическую приставку ГП-13, которая позволяет осуществлять вращение образца вокруг его оси.
Механические испытания
При статических испытаниях на растяжение определяли такие характеристики материала, как: предел кратковременной прочности (ав), предел текучести (оод), относительное удлинение (8), относительное сужение (\/) при комнатной и при повышенной температурах, а также длительная прочность при повышенной температуре за 100 часов (оюо ) Испытания на кратковременную прочность при комнатной проводили на испытательной машине ИР 5113 согласно ГОСТ 1497. Испытания на длительную прочность: база - 100 час при температуре 650С проводили на испытательной машине ZST 2/3 согласно ГОСТ 10145.
Испытания на ударную вязкость с концентратором вида «U» (KCU): проводили на копере ПСВО-30 согласно ГОСТ 9454. Определение допустимой степени деформации Определение допустимой степени деформации проводили осадкой цилиндрических образцов 015x20 мм в контейнерах при повышенной температуре на гидростатическом одноколонном прессе усилием 25 тс согласно ГОСТ 8817. Время выдержки образцов в печи при заданной температуре составляло 8-30 мин. Деформацию проводили в условиях близких к изотермическим - контейнер для осадки, изготовленный из нержавеющей стали, нагревали вместе с образцом.
Образец считается выдержавшим испытание, если после достижения заданной относительной степени деформации при осадке на боковой поверхности образца не наблюдается возникших или раскрывшихся трещин, закатов, надрывов. Осмотр поверхности образцов после испытания проводили визуально. Метод дифференциальной сканирующей калориметрии Определение температур фазовых превращений методом дифференциального термического анализа и построения кривых проводили на установке для измерения теплоемкости DSC 404 F1 согласно РТМ 1.2.032 - 83 и ММ 1.2.068-2006 со скоростями нагрева и охлаждения 10 и 20 К/мин
Влияние деформационной обработки на структурно-фазовый состав и механические свойства интерметаллидного титанового сплава ВТИ-4А с повышенным содержанием алюминия
Необходимость использования для легирования более дорогих элементов -Nb, Та и W при повышенном их содержании в сплавах, обеспечение высокой однородности состава слитков, применение прокатного и термического оборудования с защитной атмосферой (вакуумом или инертным газом), необходимость контроля макро и микроструктуры в полуфабрикатах - главные причины торможения промышленного освоения этого класса сплавов [108].
Тем не менее, существуют реальные предпосылки и технические возможности преодоления многих из указанных трудностей. Это достигается путем разработки экономно легированных орто-сплавов и использования технологии производства титановых сплавов, позволяющих за счет твердорастворного, дисперсионного и структурного упрочнения упорядоченной орто-фазы, сохранить хорошую технологичность при получении высоких значений жаропрочности сплавов [7,12].
Исходя из всего вышесказанного, совершенно очевидно, что интерметаллидные титановые сплавы на основе орторомбической фазы Ti2AlNb являются наиболее перспективными сплавами. В отличие от традиционных титановых сплавов они пожаробезопасны, обладают высоким комплексом механических свойств при температурах до 650 - 700 С, а по пластичности и технологичности значительно превосходят другие интерметаллидные титановые сплавы системы Ti-Al. Высокие технологические свойства орто-сплавов позволяют изготавливать из них деформированные полуфабрикаты и детали с хорошо проработанной внутренней структурой, что в сочетании с проведением термической обработки обеспечивает высокий уровень требуемых свойств. Однако освоение и внедрение в промышленное производство полуфабрикатов из интерметаллидных сплавов на основе фазы Ti2AlNb становится возможным при исследовании влияния химического состава, параметров деформационной и термической обработок на структуру, фазовый состав и механические свойства рассмотренных сплавов и разработке на основе выявленных закономерностей технологий изготовления полуфабрикатов, обеспечивающих требуемый уровень механических и технологических свойств.
Нужно отметить, что в литературе основное направление исследований влияния химического состава на интерметаллидные титановые сплавы связано с изучением содержания бета-стабилизирующих легирующих элементов, в том числе ниобия. Однако влияние содержания алюминия на структурно-фазовые и механические свойства интерметаллидов не менее важно и требует подробного изучения. 1.4 Заключение по литературному обзору и постановка задач исследования
Анализ современного состояния вопроса позволяет сделать вывод, что важнейшей задачей материаловедения, от решения которой зависит эффективность и конкурентоспособность авиационных двигателей, является разработка новых жаропрочных материалов с высокими удельными характеристиками. К таким материалам относятся интерметаллидные титановые сплавы, которые обладают высокими упругими и прочностными свойствами при комнатной и повышенных температурах, стойкостью к коррозионному воздействию, повышенными значениями жаропрочности, жаростойкости и пожаробезопасности. Вместе с тем, особенности строения интерметаллидных сплавов способствуют повышенной хрупкости и определяют низкие значения пластических свойств этих материалов, что препятствует их широкому освоению и применению.
Основные мероприятия, направленные на достижение требуемого уровня пластичности и жаропрочности, должны включать в себя комплексный подход к созданию новых композиций интерметаллидных сплавов: микролегирование, макролегирование, управление структурой и фазовым составом.
Применение алюминидов титана дает возможность повысить на 50-200 С рабочие температуры деталей по сравнению с изготовленными из титановых сплавов, увеличить срок службы и надежность работы изделий благодаря повышенной жаростойкости, повысить КПД на 5-10 %.
Исходя из вышесказанного, становится очевидным, что разработка жаропрочных материалов на основе алюминидов титана с температурами работы 650 - 800 С является весьма актуальной для области двигателе-, самолето- и -ракетостроения, поскольку позволяет расширить диапазон применения титановых сплавов (повысить рабочую температуру деталей), а следовательно обеспечивает снижение веса деталей при замене никелевых сплавов, повышение ресурса, срока службы и надежности работы изделия благодаря повышенной жаростойкости и жаропрочным свойствам по сравнению с традиционными титановыми сплавами.
Среди жаропрочных интерметаллидных титановых сплавов наибольший интерес с точки зрения разработки, освоения и практического применения представляют сплавы на основе орторомбической фазы Ti2AlNb, основными преимуществами которых являются, во-первых, повышенные пластические и технологические свойства (по сравнению с гамма-сплавами), позволяющие изготавливать из них деформированные полуфабрикаты сложной формы, и, во-вторых, жаропрочные и эксплуатационные характеристики (детали, изготовленные из орто-сплавов, могут длительно работать в авиационных двигателях и наземных энергетических установках при температурах до 650 С).
Однако широкое применение орто-сплавов сдерживается рядом недостатков, обусловленных их повышенной плотностью (на 15-20 % по сравнению с традиционными жаропрочными титановыми сплавами), трудностями выплавки слитков и осуществления деформационных процессов, обеспечивающих заданные технологические параметры горячей деформации и структурно-фазового состояния конечных полуфабрикатов.
Нужно отметить, что в отечественной и зарубежной литературе имеется большое количество публикаций, посвященных интерметаллидным титановым сплавам, однако ни в одной из открытых публикаций не рассматриваются вопросы выплавки слитков и технологии изготовления деформированных полуфабрикатов. Данная тема является закрытой. Поэтому важной задачей является разработка отечественных технологий изготовления полуфабрикатов из перспективных деформируемых интерметаллидных титановых сплавов на основе орторомбической фазы Ti2AlNb и внедрение их в производство.
Влияние алюминия на структуру, фазовый состав и механические свойства интерметаллидного титанового сплава ВТИ-4
В зоне интенсивной деформации образцов, осаженных вдоль основной оси, наблюдается изменение форм и размеров зерен: одновременно сужаются в осевом направлении и вытягиваются в сторону наибольшей положительной (растягивающей) деформации (радиальном направлении). Такая тенденция формирования микроструктуры в зоне интенсивной деформации наблюдается во всем температурном интервале проведения эксперимента от 800 до 1180 С.
Микроструктура образцов в зоне затрудненной деформации, осаженных со степенью деформации 50 % при температурах 1000 - 1180 С, представляет собою поликристаллическую структуру, зерна которой имеют форму близкую к равноосной (рис. 3.12 а, б, в и 3.13 б). В то время как в микроструктуре образца, осаженного со степенью деформации 77 % при температуре 1050 С (рис. 3.13 а), зерна имеют вытянутую форму (несколько меньше, чем в области интенсивной деформации) вдоль направления течения металла, что обусловлено более высокой степенью осадки [15].
При понижении температуры осадки до 950 - 850С происходит образование вытянутых по направлению положительной (растягивающей) деформации зерен как в области интенсивной, так и затрудненной деформации (рис. 3.13 в, 3.14 а, б), что объясняется уменьшением эффекта релаксации напряжений и искажений, внесенных деформацией при понижении температуры деформации. В результате замедления и прекращения процессов возврата и рекристаллизационных превращений происходит блокировка движения дислокаций, повышается их плотность, что приводит к повышению прочности и наклепу. При этом деформация зерен в зоне интенсивного течения металла продолжается до тех пор, пока сопротивление деформации (повышение прочности) не достигнет предельного значения. Одновременно это сопровождается повышением усилий прессования (что подтверждается данными, приведенными в главе 3.2, о повышении усилий прессования при температуре 950 С и ниже). В результате повышения прочности в зоне интенсивной деформации и увеличения усилий прессования, уровень растягивающих напряжений достигает критического значения,
По итогам проведенных исследований, учитывая размерный фактор образцов и крупногабаритных слитков с высокими внутренними напряжениями, можно утверждать, что для изготовления качественных полуфабрикатов из интерметаллидного титанового сплава ВТИ-4А с повышенным содержанием алюминия 13,0 масс. % минимальная температура начала деформации должна быть выше 1000 С (при которой не происходит упрочнения), а степень деформации - не более 50 % за один технологический переход, что обеспечит отсутствие поверхностных дефектов и получение однородной структуры в полуфабрикатах.
Исследование влияния параметров термомеханической обработки на фазовые превращения интерметаллидного титанового сплава ВТИ-4А с повышенным содержанием алюминия Принимая во внимание полученные в предыдущих разделах работы результаты, исследование влияния параметров термомеханической обработки на фазовый состав проводили на образцах, осаженных со степенью деформации 50 % в интервале температур от 800 до 1180 С. Дополнительно были исследованы образцы, осаженные со степенью 77 % (при температуре 1050 С), 3 % (при температуре 800 С), а также закаленные с температур 1220 и 770 С. Результаты качественного фазового анализа образцов из сплава ВТИ-4А представлены в таблице 3.5. Дифрактограммы образцов приведены на рисунках 3.15-3.17 [10,15].
Полученные экспериментальные данные позволили определить температурно-деформационные параметры (термомеханической обработки) изготовления полуфабрикатов из интерметаллидного сплава ВТИ-4А с повышенным содержанием алюминия до 13,0 масс. %. Температура горячей обработки давлением, при которой не происходит упрочнения, соответствует однофазной Р-области и составляет 1000 С. Снижение температуры деформации и увеличение времени выдержки при температурах ниже 1000 С в результате распада пластичной Р-фазы с образованием из нее интерметаллидных аг- и О-фазы затрудняет деформацию (холодная деформация).
Таким образом, минимальная температура начала деформации слитков сплава ВТИ-4А должна соответствовать однофазной Р-области и быть выше 1000 С. Степень деформации не должна превышать 50 % за один технологический переход, что обеспечит отсутствие поверхностных дефектов.
