Введение к работе
Актуальность проблемы
На протяжении всего периода развития авиационно-космической промышленности не теряет своей актуальности задача уменьшения массы узлов деталей двигателей и повышение их надёжности в условиях эксплуатации.
После того как возможности снижения массы стальных деталей за счет конструктивных мер были практически исчерпаны, на первый план выступили альтернативные материалы такие как, керамика и жаропрочные титановые сплавы. Применение титановых сплавов вместо сталей позволило снизить массу двигателя на 35-40%.
Обычно жаропрочные титановые сплавы применяют для изготовления деталей кратковременно работающих при высоких температурах (до 800С), или при температурах 500 - 550С сравнительно небольшое время - несколько сотен часов, или в интервале температур 350 - 450С, но в течение длительного времени, исчисляемого годами и десятками лет.
К настоящему времени возможности лучших серийных сплавов, разработанных как в России, так и за рубежом (ВТ18У, ВТ36, ВТ25У, IMI834, Til 100, ТІ6242 и другие), в плане повышения ресурса, уровня рабочих температур и комплекса механических и эксплуатационных свойств, практически исчерпаны.
Одним из перспективных направлений развития жаропрочных материалов является создание титановых сплавов с повышенным содержанием алюминия, обеспечивающим интерметаллидное упрочнение. Однако, в титановых сплавах с концентрацией алюминия, превышающей его предельную растворимость в ос-фазе (~7%) , в процессе длительной эксплуатации при повышенных температурах происходит выделение в частицах а-фазы дисперсной, когерентной осг-фазы на основе интерметаллида ТізАІ, что приводит к охрупчиванию материала и разрушению деталей в процессе эксплуатации.
Решить проблему термической стабильности сплавов с интерметаллидным упрочнением традиционными методами термической или термомеханической обработки не предоставляется возможным. Поэтому разработанные еще на рубеже
Здесь и далее по тексту концентрация водорода и легирующих элементов приведена в процентах по массе. 4
60-х - 70-х годов сплавы этого класса СТ4 (Россия), Ti-8111 (США) с содержанием алюминия 8-9% не нашли практического применения и актуальным стал поиск принципиально новых технологических способов обработки жаропрочных титановых сплавов с интерметаллидным упрочнением, которые позволили бы решить эту проблему.
Одним из таких способов является термоводородная обработка (ТВО), основанная на обратимом легировании водородом. К настоящему времени разработаны научные основы ТВО и показана высокая эффективность в управлении структурой литых и деформированных титановых сплавов разных классов и повышении их механических, эксплуатационных и технологических свойств. На примере конструкционных титановых сплавов показана возможность получения с помощью ТВО гетерофазной структуры, в которой протекание процессов упорядочения происходит в отдельных частицах а-фазы, что не приводит к охрупчиванию в условиях длительного термического воздействия. Однако недостаточно полно изучены вопросы, связанные с температурно-концентрационными условиями формирования такой структуры в сплавах с повышенным содержанием алюминия, нет систематических исследований по её оптимизации, не установлено её влияние на комплекс механических свойств.
Поэтому задача создания в титановых сплавах, содержащих около 9% алюминия, термодинамически стабильной структуры с интерметаллидным упрочнением, обеспечивающей высокий уровень механических свойств при нормальной и повышенных температурах является актуальной.
Цель настоящей работы состояла в установлении закономерностей влияния термоводородной обработки и термического воздействия на формирование фазового состава, структуры и комплекс механических свойств опытного титанового сплава Ti-8,3Al-2,lMo-2,2Zr-0,2Si и разработке на этой основе технологии его обработки, обеспечивающей повышение комплекса механических свойств при нормальной и повышенных температурах.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Установить влияние температуры наводороживающего отжига и
концентрации вводимого водорода на формирование фазового состава и структуры
опытного титанового сплава Ti-8,3Al-2,lMo-2,2Zr-0,2Si.
Установить влияние температуры вакуумного отжига на закономерности формирования фазового состава и структуры сплава Ti-8,3Al-2,lMo-2,2Zr-0,2Si, дополнительно легированного водородом.
Оценить термическую стабильность структуры сплава Ti-8,3Al-2,lMo-2,2Zr-0,2Si, сформированной в процессе термоводородной обработки.
4. Установить влияние структуры, сформировавшейся в сплаве
Ti-8,3Al-2,lMo-2,2Zr-0,2Si при термоводородной обработки, на комплекс
механических свойств при нормальной и повышенных температурах.
Научная новизна:
1. Для опытного сплава Ti-8,3Al-2,lMo-2,2Zr-0,2Si построена диаграмма,
показывающая изменение фазового состава в зависимости от температуры
наводороживающего отжига и содержания водорода после охлаждения до
нормальной температуры со скоростью больше первой критической. Определена
температурно-концентрационная область существования упорядоченной осг-фазы.
2. Показано, что в процессе наводороживающего отжига при температурах
двухфазной (а+Р)-области в сплаве Ti-8,3Al-2,lMo-2,2Zr-0,2Si вследствие развития
а—»Р-превращения происходит перераспределение легирующих элементов между
а- и Р" фазами, приводящее к увеличению содержания алюминия в частицах
первичной ос-фазы, протеканию в них процессов упорядочения и образованию
частиц осг-фазы на основе интерметаллида Ті3А1 вследствие развития а—»0С2-
превращения.
3. Показана возможность создания в сплаве Ti-8,3Al-2,lMo-2,2Zr-0,2Si
несвойственной ему в равновесном состоянии структуры, содержащей помимо а- и
Р" фаз некогерентные частицы осг-фазы. Установлено, что такая структура имеет
высокую термическую стабильность при температурах, которые по крайней мере на
50С ниже температуры предшествующего вакуумного отжига.
Практическая значимость:
Разработана технология термоводородной обработки опытного титанового сплава Ti-8,3Al-2,lMo-2,2Zr-0,2Si, включающая наводороживающий отжиг при температуре 700С до концентрации 0,6% и последующий вакуумный отжиг при температуре 650С в течение 12 часов, позволившая создать термически стабильную бимодальную структуру ос-фазы, содержащую некогерентные частицы осг-фазы и обеспечивающую значения прочности не менее 1100 МПа, пластичности 10%, ударной вязкости 0,25 МДж/м и кратковременной прочности при 600С - 650 МПа.
Разработанная технология была использована Фондом «МиТОМ» при производстве опытной партии изделий из сплава Ti-8,3Al-2,lMo-2,2Zr-0,2Si.
Апробация работы: Материалы работы доложены на 10 научно-технических конференциях и семинарах, в том числе: на Пятом и Шестом Международных Аэрокосмических Конгрессах IAC06 и IAC09 (Москва, 2006, 2009 гг.), на Международных конференциях «Ті в СНГ» (Одесса, 2009 г.; Львов, 2011 г.), на Научно-технической конференции «Новые материалы и технологии» (Москва, МАТИ, 2006 г.), на Научно-практической конференции «Титан: состояние и перспективы развития металловедения и технологий» (Москва, МАТИ, 2007 г.), на XXXI, XXXII, XXXVI и XXXVII Международных молодежных научных конференциях «Гагаринские чтения» (Москва, МАТИ, 2005, 2006, 2010, 2011 гг.),
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 10 работах, в том числе в 3 ведущих рецензируемых журналах, определенных ВАК. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.
Объем диссертации и её структура. Диссертация изложена на 120 страницах машинописного текста, содержит 50 рисунков и 18 таблиц. Работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, приложения и списка литературы из 96 наименований.
