Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время для производства элементов броневой защиты используются стали, алюминий и его сплавы, керамика, кевлар, а также различное их сочетание. Но ни один из этих материалов не может обеспечить высокую пулестойкость, технологичность при изготовлении и низкий вес конструкции одновременно, что затрудняет создание новых элементов бронезащиты, таких как каски второго уровня защиты и бронежилеты третьего и четвертого класса.
Перспективными материалами для производства элементов бронезащиты являются титан и сплавы на его основе. Они обладают высоким комплексом механических свойств, низкой плотностью и отличной коррозионной стойкостью. Однако, несмотря на большие потенциальные возможности титановых сплавов, их использование в новой технике недостаточно широко. Это вызвано высокой стоимостью производства полуфабрикатов и изделий из высокопрочных титановых сплавов и необходимостью использования энергоемкого оборудования для их получения и обработки.
Одним из перспективных подходов к решению этой проблемы является применение водородной технологии, включающей водородное пластифицирование для повышения технологичности титановых сплавов и термоводородную обработку для формирования в полуфабрикатах и изделиях оптимального структурного состояния. В ряде работ, проведенных в «МАТИ»-РГТУ им. К.Э. Циолковского, было показано, что водородное пластифицирование позволяет получить новый вид полуфабрикатов и изделий из высокопрочных титановых сплавов переходного класса - листы и штампованные изделия, которые после термоводородной обработки обладают высоким комплексом механических свойств.
Однако до настоящего времени не решены вопросы оптимизации структуры на всех этапах технологического процесса получения листовых полуфабрикатов для достижения нужного уровня свойств, обеспечивающих хорошую пулестойкость. Не исследована эффективность применения водородной технологии для получения элементов броневой защиты и не произведен сравнительный анализ эффективности высокопрочных титановых сплавов
переходного класса, по сравнению со сплавами других классов, для применения их в броневых системах.
Целью настоящей работы является установление закономерностей формирования структуры, текстуры и свойств титановых сплавов переходного класса при термоводородной обработке и пластической деформации и разработка на этой основе технологии получения и обработки элементов броневой защиты.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
— исследовать влияние водорода и термической обработки на
формирование фазового состава и структуры высокопрочных титановых сплавов;
— изучить влияние водорода на формирование структуры, текстуры и
механических свойств при холодной пластической деформации титановых
сплавов;
— определить изменение механических свойств деформированных
полуфабрикатов из титановых сплавов при термической обработке;
разработать технологическую схему получения и обработки элементов бронезащиты из высокопрочных титановых сплавов;
дать рекомендации по выбору материала и технологии обработки титановых сплавов для использования их в элементах бронезащиты.
Научная новизна:
-
Установлено, что легирование водородом сплавов переходного класса приводит к формированию при холодной листовой прокатке интенсивной кристаллографической текстуры р-фазы типа (111)<110>, вследствие снижения упругих искажений кристаллической решетки р-фазы и развития скольжения в основном в наиболее благоприятных системах. После рекристаллизационного отжига тип текстуры сохраняется.
-
Построены диаграммы изотермических превращений, описывающие температурно-временные условия полигонизации, рекристаллизации и распада Р-фазы в холоднокатаных, а также рекристаллизованных листах из сплава ВТ22И, легированного водородом, при обработке в воздушной среде и в вакууме. Показано, что распад Р-фазы в рекристаллизованных листах происходит при более
высоких температурах, по сравнению с холоднодеформированными листами, и больших временах выдержки.
-
Показано, что в процессе нагрева до температур вакуумного отжига в интервале 450-800С водород неравномерно распределяется по объему листов, при этом распад р-фазы в поверхностных слоях, обедненных водородом, происходит при более низких температурах, по сравнению с обогащенными областями в сердцевине листа.
-
Установлено, что исходная структура сплавов влияет на изменение критических скоростей охлаждения. Показано, что в предварительно рекристаллизованных листах при уменьшении температуры вакуумного отжига в а+Р-области критические скорости охлаждения снижаются вследствие стабилизации Р-фазы. В холоднокатаных листах за счет формирования при температуре отжига (а+Р)-структуры с более развитой межфазной границей интенсивность распада р-фазы повышается, что приводит к увеличению критических скоростей охлаждения, которые максимальны после выдержки при температуре на 30-50С ниже Ас3 сплава.
Практическая значимость:
-
Разработана технологическая схема получения и обработки элементов броневой защиты из титановых сплавов переходного класса ВТ22 и ВТ22И, включающая наводороживание литых или деформированных полуфабрикатов, горячую и холодную прокатку, рекристаллизационный отжиг, штамповку и вакуумный отжиг для обеспечения изделиям высокого уровня пулестойкости.
-
Разработан режим вакуумного отжига листов из сплава ВТ22И с содержанием водорода 0,3% для формирования максимально неоднородной структуры и твердости по сечению листа с целью обеспечения высокой пулестойкости. Он включает в себя нагрев в вакууме при температуре 750С, выдержку в течение 1,5 часа и старение при 450С в течение 6 часов.
-
Даны рекомендации по выбору сплавов и технологии их обработки для использования в элементах бронезащиты. Листы из сплавов ВТ22И и ВТ22, полученные по водородной технологии, и ВТ35, полученные стандартной обработкой, рекомендованы для использования в бронежилетах 2-ого, 3-его и 4-ого класса. Листы толщиной до 1,5 мм из сплава ВТ22И, обработанные по режиму:
рекристаллизационный отжиг при 650С в течение 1 часа, вакуумный отжиг при 750С в течение 1,5 ч, старение при 450С в течение 6 ч, рекомендованы для изготовления нового изделия бронезащиты - касок второго класса. Разработанные рекомендации использованы при изготовлении и испытаниях опытных образцов броневой защиты в рамках выполнения раздела «Материалы и сплавы со специальными свойствами» научно-технической программы Министерства образования РФ «Перспективные материалы», что подтверждено соответствующими документами.
Апробация работы. Материалы работы доложены на 9 научно-технических конференциях и семинарах, в том числе: на научных конференциях "МАТИ"-РГТУ им. К. Э. Циолковского (1995 - 1998 гг., Россия), на Международной конференции по производству и применению титана Евромат-97 (1997, Нидерланды); на Международном аэрокосмическом конгрессе IAC97 (1997, Россия), на П-ой Международной конференции "Водородная обработка материалов" (1998, Украина).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 13 работах, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе, списка использованной литературы из 124 наименований и приложения. Изложена на 113 страницах машинописного текста, содержит 70 рисунков и 12 таблиц.
