Введение к работе
Актуальность темы.
Двухфазные (а+Р)-титановые сплавы, к которым относится и исследуемый в работе сплав ВТ16, традиционно используются в авиакосмической технике, транспортном и энергетическом машиностроении, ряде отраслей химической промышленности и медицины благодаря уникальному сочетанию таких свойств, как высокие удельная прочность и коррозионная стойкость, низкий модуль упругости, биосовместимость и отсутствие токсичности. Такое широкое применение обусловлено возможностью получения различного уровня свойств в результате формирования необходимого структурного и фазового состояний методами термической и термомеханической обработок. Анализ литературных источников показал, что (сН-р)-титановый сплав мартенситного класса ВТ 16 благодаря низкому содержанию алюминия обладает повышенной технологической пластичностью при низких температурах, и это позволяет использовать холодную деформацию при термомеханической обработке (ТМО), а легирование сплава молибденом и ванадием делает возможным регулирование фазового состава в широких пределах при упрочняющей термической обработке (УТО).
Для разработки режимов ТМО и УТО сплава ВТ 16 необходимо знание закономерностей протекания фазовых и структурных превращений при закалке, последующем старении (отпуске), а так же влияние холодной деформации на трансформацию структуры и свойств. Однако к настоящему времени не все аспекты в этом направлении изучены в полной мере. С одной стороны мал объем исследований по изменению фазового состава, структуры и физико-механических свойств при закалке с широким привлечением методов просвечивающей электронной микроскопии, динамического механического анализа, дифференциальной сканирующей калориметрии. С другой стороны не в полной мере изучена стадийность протекания процессов распада метастабильных фаз, полученных как при закалке, так и в результате деформационно-индуцированных переходов при холодной деформации и в ходе последующего непрерывного нагрева до температур старения (отпуска).
В свою очередь, анализ литературных источников показал малый объем данных о влиянии фазовых превращений, протекающих на различных этапах производства листовых полуфабрикатов из сплава ВТ 16, на текстуру и комплекс свойств.
Комплексное изучение вышеперечисленных проблем позволит более научно обоснованно проводить выбор режимов упрочняющей термической и термомеханической обработки прутковых и листовых полуфабрикатов из данного сплава, и проведение исследований в этих направлениях является актуальным.
Работа выполнена в соответствии с основными направлениями научной деятельности кафедры «Термообработка и физика» металлов ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» в рамках: аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» по темам №2218, №2210 (проект РНП.2.1.1.6544), №2244 (проект № 2.12/7175); федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» по теме №62245 (гос. контракт № 02.740.11.160).
Целью настоящей работы явилось комплексное изучение закономерностей формирования структуры и фазового состава в (а+Р)-титановом сплаве мартенситного класса ВТ 16 при варьировании режимов термической и термомеханической обработок и разработка режимов упрочняющей обработки, обеспечивающей формирование высокого комплекса механических свойств для различных типов полуфабрикатов.
В работе поставлены и решены следующие задачи:
-
Изучить особенности формирования структуры, фазового состава и свойств в сплаве при закалке с различных температур и последующем непрерывном нагреве.
-
Определить влияние холодной сортовой прокатки на протекание деформационно-индуцированных фазовых превращений в закаленном сплаве.
-
Исследовать процессы, протекающие при нагреве в холоднодеформированном сплаве.
-
Рассмотреть влияние условий обработки на формирование структуры, текстуры и механических свойств в листовых полуфабрикатах.
-
Разработать режимы упрочняющей обработки, обеспечивающие формирование высокого комплекса свойств в прутковых и листовых полуфабрикатах.
Научная новизна работы
-
Впервые экспериментально установлено образование атермической со-фазы при закалке сплава ВТ16 с исходной двухфазной (а+р)-структурой.
-
Обнаружено, что холодная деформация прокаткой прутков из сплава ВТ 16 со структурой а "-мартенсита способствует протеканию деформационно-индуцированного а"—>а'+ра -превращения с образованием ра-фазы с аномально большим периодом. Показано, что такое превращение реализуется тем полнее, чем выше степень деформации.
-
Методами терморентгенографии и термического анализа установлены схемы и температурные интервалы распада метастабильных фаз (р, а") различного уровня легирования, полученных закалкой в широком температурном интервале.
-
Объяснено изменение текстурного состояния листовых полуфабрикатов из сплава ВТ16 на различных стадиях деформационной и термической обработки, с точки зрения формирования предпочтительных текстурных компонент, реализуемых при деформации р- и а-твердого раствора, а так же в ходе протекания кристаллографически ориентированного р—>а"—»а-превращения.
Практическая значимость.
1. На примере сплава ВТ 16 показано, что метод динамического
механического анализа, позволяющий определять модуль упругости
материалов, можно эффективно использовать для определения
температурных интервалов превращений при нагреве метастабильных фаз в
титановых сплавах, фиксируемых при закалке.
2. Для научно обоснованного и рационального выбора температур
нагрева под закалку при упрочняющей термической обработке сплава
построены зависимости изменения объемной доли фаз и размера Р-зерна от температуры закалки в сплаве ВТ16.
-
Разработан режим НТМО прутковых полуфабрикатов из сплава ВТ16, включающий закалку в воду с температуры Тпп-10 С, холодную прокатку с вытяжкой 45 % и последующий отпуск при 500 С в течении 24 часов, что обеспечивает получение высокопрочного состояния: (a0i2> 1200 МПа, ан> 1270 МПа, 5>9,5%).
-
Опробован режим ТМО листовых полуфабрикатов из сплава ВТ16, включающий холодную продольную прокатку с последующей упрочняющей термической обработкой: закалка с 780С, 10 мин., воздух, старение 530С, 8ч, который позволяет получить высокопрочное состояние (а0,2>1090 МПа, ап>1240 МПа, 5>10 %).
5. Предложенные рекомендации по проведению упрочняющей обработки
деформируемых полуфабрикатов из сплава ВТ 16 используются при
изготовлении изделий медицинского назначения на ООО «Медин-Урал», что
подтверждено соответствующим актом.
На защиту выносятся следующие основные положения и результаты.
-
Закономерности формирования структуры, фазового состава и свойств в сплаве при закалке и последующем непрерывном нагреве.
-
Данные по влиянию холодной деформации прокаткой на протекание деформационно-индуцированных фазовых превращений в сплаве и последующие процессы распада метастабильных фаз при нагреве.
-
Анализ влияния условий обработки на формирование структуры, текстуры и механических свойств в листовых полуфабрикатах.
-
Оригинальные режимы термомеханической обработки сплава ВТ 16, обеспечивающие высокий уровень прочностных свойств.
Апробация работы. Материалы диссертации были доложены и обсуждены на 11 научно-технических конференциях и семинарах, в том числе: XX Уральской школе металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов», Екатеринбург, 2010 гг., на IX, X Уральской школе-семинаре металловедов-молодых ученых, Екатеринбург, 2008, 2009 гг., на XV-ой международной конференции
молодых ученых, Екатеринбург, 2009 г, на XVI, XVII и XVIII Уральской
международной конференции молодых ученых по приоритетным
направлениям развития науки и техники, Екатеринбург, 2009, 2010 гг., на
Пятой Российской НТК «Физические свойства металлов и сплавов»,
Екатеринбург, 2009 г., на Всероссийской молодежной школе-конференции
«Современные проблемы металловедения», г. Пицунда, 2009 на
региональной студенческой научной конференции «Студент и научно-технический прогресс», Екатеринбург, 2009 г., на Международной конференции "Ті-2010 в СНГ", Екатеринбург, 2010 г.
