Содержание к диссертации
Введение
1. Особенности использования титановых сплавов в элементах паротурбинных установок 12
1.1 Анализ условий эксплуатации и технических требований, предъявляемых к материалам для морских паротурбинных установок 12
1.2 Обзор современного состояния в области разработки жаропрочных титановых сплавов 19
1.3 Анализ имеющихся данных по влиянию структурного состояния титановых сплавов на механические свойства, характеристики жаропрочности и усталость 1.3.1 Общая характеристика структуры деформированных титановых сплавов 25
1.3.2 Закономерности формирования различных типов структуры двухфазных титановых сплавов 28
1.3.3 Зависимость механических свойств титановых сплавов от структуры, влияние легирования и термообработки 33
1.3.4 Влияние структуры титановых сплавов на процессы деформации и разрушения 1.4 Опыт применения морских титановых сплавов композиций Ti-Al-Mo-V-C и Ti-Al-Mo-Zr-C в элементах ответственных конструкций 50
1.5 Обоснование целесообразности использования морских титановых сплавов в элементах паротурбинных установок и постановка задачи работы
1.5.1 Конструктивная прочность титановых сплавов в условиях эксплуатации паротурбинных установок 53
1.5.2 Свойства титановых сплавов, определяющие их использование в паротурбинных установках 57
Выводы по главе 1 и задачи работы 60
2. Материалы и методики исследований 62
2.1 Характеристика материалов, исследованных в работе 62
2.2 Обоснование выбора откорректированного химического состава исследуемых титановых сплавов с целью повышения их прочности 64
2.3 Методики исследования материала 71
2.3.1 Методы исследования структуры и фазового состава 71
2.3.2 Методы определения стандартных механических характеристик 73
2.3.3 Методы определения показателей конструктивной прочности 73
2.3.4 Технические требования к материалам для паротурбинных установок 76
Выводы по главе 2 77
3. Исследование влияния структурного состояния морских титановых сплавов повышенной прочности на физико-механические свойства и характеристики работоспособности 79
3.1 Металлографический анализ исследуемых титановых сплавов с различными типами структуры 79
3.2 Ориентационная микроскопия исследуемых титановых сплавов с различными типами структуры 83
3.3 Моделирование процессов деформирования исследуемых титановых сплавов с различными типами структуры 91
3.4 Стандартные механические свойства исследуемых титановых сплавов в различном структурном состоянии 102
3.5 Температурная зависимость стандартных механических свойств исследуемых титановых сплавов в различном структурном состоянии 105
3.6 Влияние структурного состояния исследуемых титановых сплавов на характеристики жаропрочности при повышенных температурах 107
3.7 Влияние структурного состояния исследуемых титановых сплавов на характеристики выносливости при повышенных температурах 115
Выводы по главе 3 122
4. Разработка технологии изготовления различных полуфабрикатов из морских титановых сплавов, обеспечивающей формирование в них заданной структуры и комплекса физико-механических и служебных свойств 125
4.1 Деформированные полуфабрикаты, используемые для изготовления деталей и сварных узлов паротурбинных установок 125
4.2 Влияние термопластического цикла деформирования на формирование структуры в различных полуфабрикатах и типовые технологические процессы их изготовления 126
4.2.1 Формирование структуры титановых сплавов при горячей пластической обработке 126
4.2.2 Типовые технологические схемы изготовления деформированных полуфабрикатов из титановых сплавов
4.3 Разработка технологических схем изготовления поковок, катаных прутков и цельнокатаных колец, обеспечивающих достижение заданного структурного состояния 140
4.4 Термическая обработка титановых сплавов и ее влияние на формирование структуры деформированных полуфабрикатов 154
4.4.1 Исследование влияния термической обработки на формирование структуры морских титановых сплавов 157
Выводы по главе 4 160
Заключительные рекомендации по использованию исследованных титановых сплавов в паротурбинных установках 162
Выводы 164
Список условных обозначений 167
Список использованных литературных источников
- Закономерности формирования различных типов структуры двухфазных титановых сплавов
- Методы исследования структуры и фазового состава
- Стандартные механические свойства исследуемых титановых сплавов в различном структурном состоянии
- Термическая обработка титановых сплавов и ее влияние на формирование структуры деформированных полуфабрикатов
Введение к работе
Актуальность работы. Известно, что титановые сплавы благодаря высокому уровню удельных эксплуатационных характеристик, коррозионной стойкости во многих средах, а также удовлетворительной технологичности, нашли широкое применение в паротурбиностроении. Создание нового поколения транспортных паротурбинных установок повышенной удельной мощности потребовало разработки новых конструкционных материалов на основе титана с определенным комплексом свойств, удовлетворяющих повышенным параметрам их работы. Условия эксплуатации транспортных паротурбинных установок обусловлены длительным воздействием высоких температур при заданном ресурсе, ограниченном количеством циклов возникновения экстремальных нагрузок. Необходимость применения сварки в узлах сопловой коробки, в местах соединения лопаток с дисками, соединения элементов корпуса и др. требует использования хорошо свариваемых сплавов. Большинство разработанных авиационных жаропрочных высоколегированных двухфазных титановых сплавов (ВТ8, ВТ9, ВТ25У) и высокопрочных сплавов на основе альфа-фазы (ВТ18У, ВТ20) либо несвариваемые или имеют ограниченную свариваемость, либо характеризуются невысоким уровнем ударной вязкости и пластичности, особенно при наличии концентрации напряжений. Разработанные во ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» комплексно-легированные специальные морские титановые сплавы различной категории прочности обладают высоким уровнем пластичности и ударной вязкости, однако их используют для энергетического оборудования судов и кораблей, эксплуатируемых при температурах не выше 350С, при более высоких температурах эти сплавы не изучены для условий работы деталей современного энергооборудования. Для рассматриваемых транспортных паротурбинных установок с ограниченным ресурсом эксплуатации целесообразно использовать разработанные во ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» для морских конструкций высокопрочные корпусные сплавы титана систем легирования Ti-Al-Mo-V-C и Ti-Al-Mo-Zr-C, несклонные к снижению пластичности в зоне термического влияния сварного соединения. Высокий эквивалент альфа-стабилизаторов и нейтральных упрочнителей обеспечивает этим сплавам достаточно высокие жаропрочные свойства. Предел текучести указанных сплавов более 700 МПа при ударной вязкости более 45 Дж/см . Благодаря наличию в структуре небольшого количества бета-фазы они обладают хорошей свариваемостью и удовлетворительной технологической пластичностью в металлургическом производстве. Однако опыт использования корпусных сплавов как жаропрочных материалов практически отсутствует. Для использования их в изделиях энергетического оборудования, эксплуатируемого при повышенных (вплоть до 500С) температурах, необходимо исследовать характеристики жаропрочности, а также усталостные характеристики при повышенных температурах. Известно, что практически все физико-механические свойства титановых сплавов являются структурно-чувствительными, при этом
структура двухфазных сплавов титана отличается исключительным разнообразием. Установление связей конкретных механических свойств с типом и параметрами структуры для промышленного производства титановых материалов со строго регламентированной структурой, обеспечивающей повышенный уровень комплекса свойств является актуальным и практически важным. Формирование структуры титановых сплавов определяется температурным режимом и схемой деформации при изготовлении полуфабрикатов. В связи с этим диссертационная работа посвящена решению проблемы обеспечения комплекса характеристик работоспособности деформированных полуфабрикатов из морских титановых сплавов, предназначенных для изготовления высоконагруженных деталей и сварных узлов судовых паротурбинных установок на основании научно обоснованного выбора и экспериментального подтверждения возможности создания регламентированной структуры за счет корректировки технологических схем их изготовления.
Степень разработанности. Общие аспекты взаимосвязи структуры и свойств титановых сплавов рассмотрены в многочисленных отечественных и зарубежных работах. Первые систематические исследования начаты еще в 70-годах в ВИЛСе М.Я.Бруном с сотрудниками. Позднее А.А.Ильин и И.С.Полькин исследовали возможности управления структурой титановых сплавов. В данной работе изучены вопросы влияния структуры на характеристики работоспособности морских титановых сплавов для условий эксплуатации транспортных ПТУ.
Цель работы. Установление взаимосвязи структурного состояния деформированных полуфабрикатов из титановых сплавов систем легирования Ti-Al-Mo-V-C и Ti-Al-Mo-Zr-C с характеристиками жаропрочности и усталости и выбор оптимального типа структуры, обеспечивающего комплекс характеристик работоспособности изготавливаемых из них высоконагруженных элементов паротурбинных установок при температурах эксплуатации.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
-
Определен тип структуры, обеспечивающий в исследуемых титановых сплавах комплекс характеристик работоспособности при температурах до 500С - структура бимодального типа.
-
Обоснован выбор бимодального типа структуры экспериментальными исследованиями характеристик работоспособности полуфабрикатов с разными типами структуры.
-
Разработаны технологические схемы изготовления деформируемых полуфабрикатов из исследуемых титановых сплавов для получения требуемого бимодального типа структуры.
Научная новизна. 1. Экспериментальным путем установлен уровень характеристик жаропрочности и усталостной прочности морских титановых сплавов композиций Ti-Al-Mo-V-C и Ti-Al-Mo-Zr-C откорректированного состава применительно к условиям эксплуатации паротурбинных установок
и, таким образом, обоснована возможность использования указанных корпусных сплавов как жаропрочных материалов.
-
Установлена взаимосвязь структуры с характеристиками работоспособности исследуемых титановых сплавов, определен тип структуры, обеспечивающий конструктивную прочность элементов транспортных паротурбинных установок. Показано, что оптимальной структурой является структура бимодального типа.
-
Установлена природа повышенной микронеоднородности деформирования исследуемых титановых сплавов с пластинчатой морфологией альфа-фазы, обусловленная ее кристаллогеометрическими характеристиками. Это позволяет более объективно производить выбор предпочтительной структуры в конкретных условиях эксплуатации.
-
Формирование заданного типа структуры достигнуто за счет многостадийного деформирования в бета-области с формированием мелкозернистой структуры, а также повышения степени укова при финишных операциях в двухфазной области до уровня 3-8 с обеспечением требуемой проработки внутризеренной структуры, т.е.определены условия получения необходимого типа структуры.
-
Разработаны технологические схемы термопластической и термической обработок, приводящих к формированию бимодального типа структуры и, таким образом, обеспечено промышленное производство титановых материалов со строго регламентированной структурой и повышенным уровнем комплекса свойств.
6. Обоснована возможность использования корпусных морских титановых сплавов систем легирования Ti-Al-Mo-V-C и Ti-Al-Mo-Zr-C в высоконагруженных деталях и сварных узлах паротурбинных установок, эксплуатируемых при повышенных температурах, за счет создания в них регламентированного структурного состояния - структуры бимодального типа.
Методы исследования.
В работе использованы современные методы исследования структуры - оптическая и электронная микроскопия, а также метод дифракции обратно-отраженных электронов. Для определения параметров конструктивной прочности проведены экспериментальные исследования. Применено компьютерное моделирование для исследования процесса пластического деформирования.
Теоретическая и практическая значимость работы. 1. Определено оптимальное структурное состояние металла деформированных полуфабрикатов из исследуемых титановых сплавов в условиях эксплуатации паротурбинных установок - структура бимодального типа, представляющая собой разновидность структуры глобулярного типа со значительной объемной долей (не менее 65-70%) пластинчатой составляющей.
2. Разработаны технологические схемы изготовления деформированных полуфабрикатов,
состоящие в более многостадийном деформировании при температурах бета-области и более
высокой степени укова при температурах двухфазной области, обеспечивающие получение
заданного типа структуры и требуемого комплекса характеристик работоспособности.
3. Разработана и внедрена совместно с ПАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА» технологическая
документация на изготовление деформированных полуфабрикатов из титановых сплавов систем
легирования Ti-Al-Mo-V-C и Ti-Al-Mo-Zr-C (МП 39.035.П-2010; МП 39.042.П-2011; МП 39.041.П-
2011;МП39.045.П-2012).
4. Обоснована возможность применения морских высокотехнологичных сплавов титана
откорректированного состава на ОАО «Калужский турбинный завод» для высоконагруженных
элементов транспортного паротурбинного оборудования, эксплуатируемого при повышенных
вплоть до 500С температурах за счет создания в них регламентированной структуры.
5. Результаты работы внедрены при производстве деформированных полуфабрикатов на ПАО
«Корпорация ВСМПО-АВИСМА» и изготовлении паротурбинных установок на ОАО «Калужский
турбинный завод».
Положения, выносимые на защиту.
1. Результаты комплекса испытаний по определению характеристик жаропрочности и усталостной
прочности деформированных полуфабрикатов из сплавов Ti-Al-Mo-V-C и Ti-Al-Mo-Zr-C.
2. Результаты оценки взаимосвязи структуры, включая ориентационные и геометрические
факторы, и комплекс механических и служебных свойств деформированных полуфабрикатов из
титановых сплавов систем легирования Ti-Al-Mo-V-C и Ti-Al-Mo-Zr-C.
3. Технологические решения получения оптимальной структуры за счет регламентации режимов
многостадийной горячей пластической деформации различных полуфабрикатов.
Степень достоверности и апробация результатов подтверждается совпадением результатов эксперимента с имеющимися литературными данными; положительным опытом внедрения результатов работы при производстве деформированных полуфабрикатов на ПАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА» и при изготовлении элементов паротурбинных установок на ОАО «Калужский турбинный завод». Основные научные положения, содержащиеся в диссертационной работе, доложены и обсуждены на Международных конференциях «Ті-2010 в СНГ», Екатеринбург, 2010; «Ті-2011 в СНГ», Львов, 2011; «Ті-2012 в СНГ», Казань, 2012, «Ті-2013 в СНГ», Донецк, 2013; Всероссийской конференции по испытаниям и исследованиям свойств материалов «ТестМат-2013», Москва, ФГУП «ВИАМ», 2013; II Всероссийской научно-технической конференции «Роль фундаментальных исследований при реализации стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года», Москва, ВИАМ, 2015.
Личный вклад автора заключается в:
- изучении методами оптической и электронной микроскопии, а также методом дифракции
обратно-отраженных электронов особенностей структуры, формирующейся в двухфазных
титановых сплавах в зависимости от режимов термопластической и термической обработок;
теоретической и экспериментальной оценке взаимосвязи структуры и характеристик работоспособности титановых сплавов применительно к изделиям энергетического машиностроения;
установлении природы повышенной микронеоднородности деформирования исследуемых титановых сплавов с пластинчатой морфологией альфа-фазы;
- участии совместно с ПАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА» в разработке технологических схем
получения деформированных полуфабрикатов из исследуемых титановых сплавов с заданной
регламентированной структурой, обеспечивающей конструктивную прочность изготавливаемых
из них элементов паротурбинных установок.
Публикации. Основные результаты диссертации представлены в 7 научных трудах, опубликованных в изданиях, входящих в перечень ВАК, 1 патенте и сборниках трудов материалов конференций.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 174 страницах, содержит 14 таблиц, 76 рисунков и состоит из введения, 4 глав, заключения, выводов, списка условных обозначений, списка литературы, содержащего 71 источник, и приложения.
Закономерности формирования различных типов структуры двухфазных титановых сплавов
Под жаропрочностью понимают способность материалов работать под напряжением в условиях повышенных температур без заметной остаточной деформации и разрушения [8]. Основные характеристики жаропрочности материалов - длительная прочность и сопротивление ползучести при повышенных температурах [9].
Повышение уровня прочности для жаропрочных титановых сплавов сопровождается снижением термической стабильности, что выражается в уменьшении пластичности после длительных сроков эксплуатации. Пластичность снижается тем резче, чем выше температура и продолжительность ее воздействия. Поэтому для определенной марки сплава существует конкретный уровень прочности, являющийся оптимальным для данных условий эксплуатации (комплекса температур и напряжений). В настоящее время при разработке жаропрочных титановых сплавов для максимальных температур применения используют упрочнение путем образования твердых растворов (растворный механизм упрочнения), а также метод дисперсионного твердения за счет образования высокодисперсных выделений в результате распада пресыщенных сложнолегированных растворов (дисперсионное упрочнение) [9,10]. Растворный механизм упрочнения титановых сплавов осуществляется многокомпонентным комплексным легированием элементами, обеспечивающими формирование твердых растворов. Жаропрочные свойства в этом случае определяются статическими искажениями решетки и прочностью межатомной связи (величиной сил сцепления) [9]. Растворение легирующих элементов и примесей в металле за счет искажения кристаллической решетки повышает прочностные характеристики, а также усиливает развитие деформационного упрочнения. В этом случае особое значение приобретает изучение растворимости отдельных элементов в каждой из аллотропических модификациях титана и их влияния на температуру полиморфного превращения. Статические искажения решетки определяются параметрами размерного несоответствия и различием в модулях упругости растворяемого элемента и металла растворителя: большие статические искажения решетки альфа-титана создают железо, никель, марганец, молибден, хром, кобальт, меньшие – олово, ванадий, цирконий, кремний, алюминий, и очень небольшие тантал и ниобий. Прочность межатомных связей определяет величину тепловых колебаний атомов в решетке, которые оказывают решающее влияние на скорость процессов разупрочнения. С увеличением сил межатомных связей уменьшается скорость разупрочнения металла. С повышением температуры роль статических искажений решетки уменьшается, а влияние сил межатомных связей возрастает, т.е. температурный уровень до которого сплав сохраняет свои жаропрочные свойства прежде всего определяется силами связи. При этом предельный температурный уровень эксплуатации сплавов связан с температурной зависимостью коэффициента диффузии атомов металла основы. Основными факторами, определяющими жаропрочность металлов, являются температура плавления и связанная с ней прочность межатомных связей, а также процессы диффузии и тип структуры. При высокой температуре плавления титана наличие достаточно высокого коэффициента самодиффизии (почти на два порядка больше, чем коэффициент самодиффизии никеля) предопределяет более низкую жаропрочность титановых сплавов по сравнению с другими металлами с высокой температурой плавления. Также можно отметить структурный фактор - чем стабильнее структура при прочих равных условиях, тем выше жаропрочность и возможность дисперсионного механизма упрочнения - образование высокодисперсных выделений в результате распада пересыщенных сложнолегированных твердых растворов.
Титан упрочняется легированием альфа и бета стабилизаторами. Температура полиморфного превращения - важный параметр, в значительной мере определяющий максимальную рабочую температуру жаропрочного сплава. Легирующие элементы могут повышать или понижать температуру полиморфного превращения титана, или практически не влиять на нее (нейтральные упрочните ли). Обеспечение жаропрочности морских сплавов титана основано на комплексном легировании и состоит в следующем [11]. Основа представляет собой жаропрочный многокомпонентный альфа-раствор, при этом состав матричного раствора должен обеспечивать минимальную диффузионную подвижность, а также минимальную скорость растворно-осадительных механизмов, приводящих к укрупнению диспрсных фаз. Основные легирующие элементы - альфа-стабилизаторы и нейтральные упрочнители, при их использовании целесообразно стремиться к возможно большему содержанию алюминия и нейтральных упрочнителей. Однако легирование только альфа-стабилизаторами приводя к высокой термической стабильности, хорошей свариваемости и высокому сопротивлению окислению, сопровождается низкой технологической пластичностью, что затрудняет промышленное производство. Поэтому для повышения технологической пластичности вводят небольшие добавки тугоплавких изоморфных бета-стабилизаторов, стабилизирующих бета-фазу, упрочняющих титан с образованием альфа и бета твердых растворов и незначительно понижающих температуру полиморфного превращения. Также целесообразно введение небольшого количества элементов, блокирующих дислокации до достаточно высоких температур и препятствующих переползанию и поперечному скольжению. К таким элементам относится кремний с большим параметром размерного несоответствия.
Исходя из изложенного следует, что высокие жаропрочные свойства в титановых сплавах должны обеспечивать алюминий, цирконий, молибден, кремний и ванадий.
Алюминий, образуя твердый раствор с альфа-модификацией и существенно повышая температуру полиморфного превращения титана, является наиболее эффектным упрочнителем, улучшая прочностные и жаропрочные свойства титана, хотя и имеет небольшое размерное несоответствие по отношению к титану. При этом повышение жаропрочности сплавов системы титан-алюминий ограничено по содержанию алюминия пределом 7-8% вследствие резкого падения пластичности из-за образования хрупкой фазы [8,9].
Ванадий - один из немногих элементов, который повышает не только прочностные свойства, но и пластичность за счет его специфического влияния на параметры решетки альфа-титана. Большинство легирующих элементов в титане увеличивают соотношение осей с/а, приближая его к теоретическому значению 1,633, что затрудняет скольжение по призматическим и пирамидальным плоскостям и снижает пластичность. Ванадий, уменьшая соотношение с/а, повышает способность альфа-фазы к пластической деформации [10,11].
Цирконий - нейтральный упрочнитель, не влияющий на температуру полиморфного превращения, также является альфа-стабилизатором, повышая жаропрочные свойства титановых сплавов в присутствии алюминия. Образует с титаном непрерывный ряд твердых растворов на основе альфа-титана, при этом не участвует в упорядочении твердого раствора и обеспечивает упрочнение титана (хотя и небольшое) из-за статических искажений решетки, не снижая силы связи.
Молибден - тугоплавкий изоморфный бета-стабилизатор, образующий непрерывные растворы с бета-титаном и незначительно понижающий температуру полиморфного превращения Благоприятное влияние молибдена на жаропрочность связано с замедлением диффузионных процессов при рабочих температурах в таком интервале его концентраций, в котором повышаются силы связи в указанном диапазоне температур. При этом в присутствии алюминия добавки молибдена ведут к повышению до определенного предела характеристик жаропрочности.
Кремний - эвтектоидообразующий бета-стабилизатор с высокой температурой эвтектоидного превращения. Образование дисперсных силицидов незначительно повышает характеристики жаропрочности, однако содержание кремния не должно существенно превышать предел его растворимости в альфа-фазе, так как силициды уменьшают пластичность и технологичность сплавов. По крайней мере должна сохраняться возможность перевода кремния в твердый раствор методами термической обработки. Следует отметить существование «эффектов перераспределения», связанных с введением «дополнительных элементов» в многокомпонентную основу двухфазных сплавов [12]. Так, при введении в сплав системы Ti-Al-V молибдена, являющегося более сильным бета-стабилизатором, чем ванадий, произойдет перераспределение ванадия между альфа и бета фазами. Эффекты перераспределения также важны при наличии кремния, который влияет на то, как перераспределяются элементы между альфа и бета фазами в зависимости от основного состава сплава.
Примеси внедрения, исходя из теоретических предпосылок, должны повышать жаропрочные свойства титана. Кислород и азот являются сильнейшими упрочнителями: каждая десятая доля процента (по массе) кислорода повышает прочность примерно на 130 МПа (при комнатной температуре), азот действует еще сильнее, положительное влияние кислорода на жаропрочность титановых сплавов обнаружено в ряде работ [8, 9, 13]. Однако они еще в большей степени снижают характеристики пластичности и вязкости, придавая сплавам хрупкость. Поэтому, с точки зрения обеспечения максимальной жаропрочности и термической стабильности титановых сплавов, такие вредные примеси как кислород, азот, углерод и железо, снижающие технологичность, пластичность и свариваемость титана, должны быть лимитированы. Дополнительное упрочнение, даваемое примесями, совершенно не оправдывается из-за резкого снижения термической стабильности, сопротивления ползучести и ударной вязкости, а также повышения чувствительности к концентраторам напряжений [14]. Таким образом, содержание кислорода в высокопрочных сплавах не допускается выше 0,10%, азота -0,04-0,05%. При этом зависимости механических свойств от содержания кислорода и азота имеют плавный характер, и следовательно, в определенных пределах поддаются учету и регулированию.
Рабочие температуры современных жаропрочных титановых сплавов в большинстве случаев ограничиваются пределами 350-550С [8]. Первоначально основным критерием при разработке жаропрочных сплавов была величина кратковременной прочности при рабочих температурах, достигаемая в изготавливаемых из них изделиях. При создании жаропрочного титанового сплава необходимо сформулировать комплекс требований, обеспечивающий эксплуатационные характеристики. При этом существуют определяющие свойства, величины которых должны быть максимальными при достаточном уровне других свойств. Обычно жаропрочные сплавы должны обеспечивать высокие показатели по следующим характеристикам: - кратковременная и длительная прочность в интервале рабочих температур; - пластические свойства при комнатной температуре; - сопротивление усталости при комнатной и повышенной температурах; - сопротивление ползучести. Таким образом, существует возможность обеспечения жаропрочности титановых сплавов, применяемых для эксплуатации при рабочих температурах транспортных паротурбинных установок (450-500С), за счет растворного механизма упрочнения, т.е. за счет многокомпонентного комплексного легирования алюминием, ванадием, цирконием, молибденом и кремнием при регламентированном содержании примесей.
Методы исследования структуры и фазового состава
Исходя из полученных данных, содержание молибдена нецелесообразно увеличивать более 2,5% из-за падения ударной вязкости
На основании изложенного во ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» проанализирована возможность повышения прочностных характеристик исследуемых сплавов за счет увеличения содержания основных легирующих элементов. Влияние легирующих элементов на повышение прочности удобно выражать через прочностной эквивалент альфа-стабилизаторов и нейтральных упрочнителей по алюминию и прочностной эквивалент бета-стабилизаторов по молибдену. При разработке высокопрочных титановых сплавов [40] предложена формула для расчета эквивалента всех альфа-стабилизаторв и нейтральных упрочнителей по алюминию, всех бета-стабилизаторов – по молибдену: [Al]экв. = [Al] +[Sn]/3 + [Zr]/6 + 10[O2] +16,4[N2] +11,7[C] + 3,3[Si] (2.1) [Mo]экв. = [Mo] + [V]/1,5 + [Nb]/3,6 +[Ta]/5 + 1,25[Cr] + 2,5[Fe] + 1,7[Co] +1,25[Ni] (2.2) Однако, увеличение до определенных значений алюминиевого эквивалента может привести к коррозионному растрескиванию, при [Al]экв 9% сплавы теряют термическую стабильность. С увеличением содержания молибденового эквивалента снижается температура полиморфного превращения, повышается стабильность бета-фазы, происходит потеря пластичности и ударной вязкости в зоне термического влияния сварных соединений. Таким образом, ограничивая с одной стороны величину алюминиевого и с другой стороны ограничивая содержание молибденового эквивалента построена диаграмма для определения области возможных составов морских титановых сплавов (рисунок 2.2) [41]. I – область коррозионно механического разрушения; II – область составов морских титановых сплавов; III – область несвариваемых и ограниченно свариваемых сплавов; и 2 – сплавы композиций Ti-Al-Mo-V-C и Ti-Al-Mo-Zr-C морского назначения; 1 и 2 - сплавы композиций Ti-Al-Mo-V-C и Ti-Al-Mo-Zr-C повышенной прочности. Рисунок 2.2 – Область возможных составов морских титановых сплавов (а) и области обеспечения необходимой прочности исследуемых сплавов.
На представленной диаграмме цифрами 1 и 2 показано местоположение морских титановых сплавов композиций Ti-Al-Mo-V-C и Ti-Al-Mo-Zr-C морского назначения. Для энергетического применения в указанных сплавах увеличен алюминиевый эквивалент за счет повышения содержания в пределах марочного состава основных альфа-стабилизаторов – алюминия, углерода и кислорода до максимальных значений 8,7% (композиция Ti-Al-Mo-V-C) и 9,0% (композиция Ti-Al-Mo-Zr-C) – цифры 1 и 2 , превышение которых приводит в область коррозионно-механического растрескивания.
При этом следует отметить косвенное вл ияние химического состава на создание оптимального типа структуры. Повышение содержания алюминия в титановых сплавах приводит также к расширению области двухфазного состояния при повышенных температурах. В исследуемых сплавах повышение содержания алюминия привело к повышению температуры полиморфного превращения до 1040-1050оС, что является благоприятным фактором повышения жаропрочности сплавов. Можно отметить, что повышение содержание сильного альфа-с табилизирующего элемента углерода также приводит к возрастанию температуры полиморфного превращения. Таким образом, корректировка химического состава исследуемых титановых сплавов композиции Ti-Al-Mo-V-C и Ti-Al-Mo-Zr-C приводит к повышению температуры полиморфного превращения, тем самым обеспечивая возможность стабильного получения в различных полуфабрикатах заданного типа структуры, что является достаточно сложной задачей в условиях промышленного производства. Расширение области двухфазного состояния при повышенных температурах расширяет эффективный температурный интервал деформации заготовок в двухфазной области при одинаковых условиях нагрева перед деформацией. Это обеспечивает проведение большого объема деформации вблизи температуры полиморфного превращения, реализацию процессов динамической рекристаллизации для получения заданного типа структуры. Следует отметить, что в последние годы произошло повышение качества шихтовых материалов [43]: за счет модернизации оборудования в поставляемой титановой губке минимизировано содержание вредных примесей - кислорода, железа и кремния, что, однако, привело к снижению прочности изготавливаемых из нее слитков. Повышение содержание алюминия, а также введение в лигатуру углерода и других элементов, не выходя за пределы норм, предусмотренных нормативно-технической документацией на поставку, обеспечивает требуемый уровень прочности.
В результате работ по корректировке химического состава исследуемых титановых сплавов в Шихтовую нормаль для расчета шихты отечественных титановых сплавов ШН-31-32-002-Л-2013 на ПАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА» внесены усиленные расчетные составы титановых сплавов повышенной прочности (таблицы 2.3 и 2.5) с присвоением им индекса «П». Выплавку слитков откорректированного состава производили двойным вакуумно-дуговым переплавом расходуемых электродов порционного легирования в условиях ПАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА». Можно отметить, что особенность вакуумно-дугового переплава титановых сплавов состоит в том, что процессы плавления, литья и затвердевания здесь соединены воедино, т.е. раздельное их регулирование невозможно. В результате происходит значительный перегрев расплава с образованием в слитке крупнозернистой структуры. Соответственно для достижения требуемого уровня свойств готовых полуфабрикатов требуется проведение предварительной значительной деформации, а именно изготовления промежуточной заготовки для последующего изготовления поковок и проката. В таблицах 2.3-2-6 представлен расчетный и фактический химический состав исследуемых титановых сплавов откорректированного состава.
Стандартные механические свойства исследуемых титановых сплавов в различном структурном состоянии
Можно отметить, что специалистами ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» еще в 1979 году в указанной выше работе [45] проведены теоретические и экспериментальные определения разориентировок в альфа-фазе пластинчатой морфологии малолегированного псевдо-альфа сплава титана. Теоретические разориентировки между колониями альфа-фазы рассчитаны исходя из условия, что колонии образованы из отдельных зародышей, связанных с матричной бета-фазой различными вариантами ориентационного соотношения Бюргерса. В результате получено 5 типов векторов разориентировок - 10,5, 60, 60,8, 63,3 и 90 градусов, которые хорошо согласуются с экспериментальными данными, полученными как в работе [45] методом просвечивающей электронной микроскопии, так и методом EBSD-анализа. Можно отметить, что в работе [49] также произведены расчеты возможных разориетировок в альфа-фазе, полученной в результате полиморфного превращения – 0; 10,53; 60; 60,83; 63,26 и 90 градусов. Таким образом, исследование ориентационных характеристик различных типов структур титановых сплавов, выявило различие в спектре угла разориентировок в альфа-фазе: пластинчатые структуры характеризуются наличием ограниченного числа кристаллографически обусловленных границ с достаточно большими углами разориентировки в области БУГ - 60 и 90 градусов, глобулярные структуры характеризуются случайным распределением ориентировок. Такая топология структуры оказывает определенное влияние на свойства материала, обусловленные механизмом деформирования. Законы пластического течения поликристалла помимо других факторов в значительной степени определяются ориентацией кристаллов по отношению к действующей нагрузке [50]. Особую роль здесь играют границы и размер зерна. Различная ориентировка кристаллов по отношению к действующей нагрузке предопределяют возможность появления значительной микронеоднородности деформации, при этом увеличение степени ее неоднородности повышает склонность металла к хрупкости [51,52]. Как было показано в главе 1 грубое скольжение в пластинчатой структуре служит механизмом проявления повышенной микрнеоднородности деформации, которая непосредственно связана со структурными особенностями механизма деформации титановых сплавов. Возникновение грубого скольжения в пластинчатой структуре обусловлено условиями ее образования в результате полиморфного превращения с соответствующими кристаллогеометрическими особенностями: ориентированное расположение пакетов пластин приводит к реализации деформации по ограниченному числу кристаллографических плоскостей. При этом внешний вид линий скольжения определяется ориентационным и размерным факторами. В работе [53] установлено, что чем ближе направление скольжения к направлению действию нагрузки, тем тоньше полоса скольжения, с увеличением угла между этими направлениями полосы скольжения расширяются. Увеличение размера структурных составляющих также огрубляет полосы скольжения. Можно предположить, что большие углы разориентировки (в среднем 60 и 90 градусов) в исследуемых титановых сплавах с достаточно крупнопластинчатой структурой способствуют уширению (огрублению) полос скольжения, что приводит к повышенной микронеоднородности деформации и раннему зарождению трещин. Наличие в исследуемых титановых сплавах с глобулярной структурой хаотически разориентированных глобулей относительно малого размера по сравнению с пакетом пластин, играющего роль зерна в пластинчатой структуре, обеспечивает разнонаправленность следов скольжения, что позволяет реализовать тонкое скольжение, тем самым замедляя процесс зарождения трещин. Таким образом, в исследуемых образцах из титановых сплавов выявлено различие в ориентационных характеристиках пластинчатых и глобулярных структур, приводящее к различиям в механизме их деформации и, соответственно, свойствам. Наличие в исследуемых титановых сплавах с крупной пластинчатой морфологией ограниченного числа кристаллографически обусловленных границ с достаточно большими углами разориентировки в 60 и 90 градусов приводит при нагружении к реализации грубого скольжения и сильной локализации деформации, что облегчает процесс зарождения трещины. В результате материал с пластинчатой структурой менее предпочтителен при таких условиях нагружения, когда больший вклад в деформацию имеют процессы зарождения трещины - при невысоких температурах и кратковременных испытаниях, а также при высоком уровне переменных напряжений. Разнонаправленность следов скольжения в достаточно мелкозернистой глобулярной структуре приводит к более равномерному распределению деформации по объему материала и позволяет более полно реализовать ресурс пластичности за счет тонкого скольжения. Бимодальная структура, состоящая как из пластинчатой, так и из глобулярной составляющих, объединяет в себе особенности механизмов деформации указанных структур и, соответственно, физико-механических свойств. Далее исследовали микронеоднородность пластического деформирования различных типов исследуемых структур. Для этого выбран расчетный метод. Моделирование процессов деформирования исследуемых титановых сплавов с различными типами структуры
Известно, что реальное научное исследование сложно и многообразно, при этом непосредственное изучение и математическое описание объектов может быть затруднено. Поэтому широкое распространение получил такой метод исследования как математическое моделирование. При правильном построении математической модели она способна дать больше информации, чем натурный эксперимент. В настоящее время развитие вычислительной техники и знаний о структуре и механизмах деформирования поликристаллов привело к появлению раздела математического моделирования называемому «вычислительная пластичность кристаллов» [54-56], позволяющему смоделировать влияние особенностей структуры материала на его деформационные и энергетические характеристики. Современные компьютерные системы инженерного моделирования и анализа позволяют моделировать с применением метода конечных элементов процессы деформации и разрушения, тем самым сокращая объем дорогостоящих лабораторных и производственных экспериментов. Для оценки влияния типа структуры исследованных титановых сплавов на микронеоднородность деформации, обуславливающую особенности механизма их деформирования проведено компьютерное моделирование процесса растяжения. Расчеты методом конечных элементов выполнены с помощью программного комплекса Z-SET (версия 8.4) ведущим инженером ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» А.Ю.Мусиенко. В расчете использованы соотношения феноменологических теорий пластичности, основанные на предположении об аддитивности скоростей упругой и пластической деформации, использующие математический аппарат внутренних переменных: модели монокристалла и поликристалла. Модели предполагают бесконечно малые деформации, обобщенный закон Гука, существование различных для альфа и бета фаз кристаллографических систем скольжения. Для каждой системы скольжения учитывают закон Шмида, изотропное и кинематическое упрочнение, вязкость на основе степенной зависимости скорости сдвига от напряжения [57]. Конечно-элементные модели исследуемых пластинчатой, глобулярной и бимодальной структур произведены на основе их металлографического изображения. Для оцифровки изображения использована программа GetDataGraphDigitizer, для создания конечно-элементных сеток препроцессор программного комплекса Z-set. При этом учтены реальная морфология, кристаллографические характеристики, тип кристаллической решетки, кристаллографический механизм скольжения, фактические свойства каждой фазы. На рисунке 3.5 приведено металлографическое изображение и конечно-элементная аппроксимация рассчитываемых структур.
Термическая обработка титановых сплавов и ее влияние на формирование структуры деформированных полуфабрикатов
Динамическая рекристаллизация бета-фазы сопровождается интенсивным снижением сопротивления деформированию. В работе [68] по снижению сопротивления деформированию определена скорость деформации, необходимая для протекания динамической рекристаллизации бета-фазы в интервале температур 900-1050 оС, т.е. в области двухфазного состояния сплава. При степени деформации 0,6 - 0,65% она составляет 10о – 10-2 с-1. Также в указанном интервале температур происходят процессы рекристаллизации (сфероидизации) альфа-фазы. При увеличении скорости деформирования процессы рекристаллизации альфа-фазы активизируются.
Формирование пластин вторичной альфа-фазы происходит в процессе охлаждения: толщина их зависит от скорости охлаждения, с увеличением скорости охлаждения происходит утонение вторичных альфа-пластин. Соотношение объемных долей альфа-фазы глобулярной и пластинчатой форм определяется режимом нагрева: увеличение температуры нагрева уменьшает количество первичной альфа-фазы и соответственно, увеличивает количество бета-фазы, превращающеюся во вторичную альфа-фазу. Таким образом, формированию бимодальной структуры способствует проведение высокотемпературной обработки при температурах, близких к температуре полного полиморфного превращения и достаточно быстрое охлаждение (со скоростью более 0,8-1оС/с в интервале температур до 600-650 оС).
Таким образом, схема получения бимодальной структуры должна включать в себя многостадийную деформацию при температурах однофазного и двухфазного состояния материала, применяемую для получения глобулярной структуры, при этом деформацию в двухфазной области необходимо проводить вблизи температуры полиморфного превращения для сохранения небольшой объемной доли глобулярной альфа-фазы и ускоренное охлаждение для получения определенной толщины пластин вторичной альфа-фазы. Такая схема либо является окончательной, либо при необходимости проводят высокотемпературный отжиг (влияние термической обработки на формирование структуры двухфазных титановых сплавов рассмотрено в следующем разделе).
Для использования преимуществ бимодальной структуры необходимо обеспечение стабильности ее получения за счет повышения стабильности всех параметров процессов, влияющих на структуру, в том числе за счет проведения предварительной подготовки структуры. Для этого необходимо на стадии разработки технологии оценить параметры структуры в реальных заготовках после деформации в бета-области и окончательной деформации в двухфазной области и возможность их регулирования на основе количественных зависимостей. Использование влияния внутризеренного строения на процесс рекристаллизации позволяет расширить допустимые температурные режимы термической обработки для получения бимодальной структуры. Утолщение пластин альфа-фазы до определенного уровня (5-7 мкм) в исходной структуре после деформации в бета-области способствует формированию бимодальной структуры при последующей деформации. Оптимизация исходной структуры способствует расширению диапазона режимов обработки, обеспечивающих получение регламентированной бимодальной структуры, и тем самым, облегчает технологические возможности стабильного получения такой структуры в промышленных условиях.
Таким образом, разработка технологии изготовления деформированных полуфабрикатов из исследуемых титановых сплавов откорректированного состава для обеспечения комплекса характеристик работоспособности деталей и узлов паротурбинной установки состоит в большей проработке структуры как при предварительной деформации в бета-области, так и при финишных обработках в двухфазной области с нагревов с температур вблизи температуры полного полиморфного превращения (на 20-30оС ниже Тпп) с различным количеством подогревов в зависимости от габаритов изготавливаемых изделий.
Далее приведены разработанные в данной работе технологические схемы изготовления конкретных деформированных полуфабрикатов из исследуемых титановых сплавов откорректированного состава, предназначенных для изготовления высоконагруженных элементов паротурбинных установок за счет создания в них заданного оптимального структурного состояния, а именно структуры бимодального типа. За основу разрабатываемых технологических схем взяты типовые технологии изготовления деформированных полуфабрикатов из морских титановых сплавов. Поковки и цельнокатаные кольца
Представленные выше в разделе 4.2 типовые технологии изготовления поковок и цельнокатаных колец построены по единой классической, хорошо себя зарекомендовавшей укрупненной схеме, разработанной с учетом процессов структурообразования титановых сплавов: - деформация слитка при температурах бета-области создание наклепа при деформации в двухфазной области обеспечение протекания фазовой перекристаллизации при последующей деформации в бета-области деформация при необходимости (в случае молотовых поковок) в двухфазной области финишная деформация в двухфазной области. Первые операции проведены на прессе, финишные ковки в двухфазной области -на прессе или молоте в зависимости от массы поковки. Первоначальные ковки слитка выполнены при температурах 1200 и 1150 С, создание наклепа и обеспечение протекания фазовой перекристаллизации при температуре (Тпп +70100) С, финишные ковки в двухфазной области.
Такая типовая схема приводит в основном к получению в готовых полуфабрикатах структуры переходного и глобулярного типа (рисунки 4.9 и 4.11) с различной объемной долей и степенью глобуляризации первичной альфа-фазы. Для формирования структуры бимодального типа необходима ее дальнейшая проработка. Разработку новых технологических схем поковок и цельнокатаных колец проводили в соответствии с их разбивкой на условные типы. При этом учитывали как конфигурацию поковок (кольцо, круглое или прямоугольное сечение), так и массу и компактность поковок (с вытянутой осью или равноосные). Поковки
Для увеличения степени проработки структуры поковок всех типов в первую очередь произведено изменение технологии изготовления промежуточной кованой заготовки. Как было сказано выше обеспечение высокого качества полуфабрикатов, предназначенных для изготовления ответственных изделий, возможно за счет проведения на начальных этапах изготовления всесторонней ковки. Поэтому на начальной стадии изготовления кузнечной заготовки для малогабаритных поковок при обработке при температурах бета-области введена операция всесторонней ковки чередованием операций осадки и протяжки. Повышение степени деформации за счет ВСК позволило понизить температуру нагрева до 1150-1180оС, что благоприятно с точки зрения предотвращения роста зерна. Для малогабартиных поковок введены три операции ВСК, также увеличено до трех количество операций ВСК для крупногабаритной поковки вала. Величина суммарного укова при ВСК регламентирована на уровне не менее 2,0. Для создания достаточного наклепа для поковок большего размера увеличено до двух число проходов при последующей деформации при температурах двухфазной области (операции протяжки для поковок с удлиненной осью или чередование операций осадки и протяжки для цилиндрических поковок), при этом величина укова назначена не менее 1,4. Температура последующей деформации в однофазной области для обеспечения протекания процесса фазовой перекристаллизации назначена на 80-100оС выше Тпп операцией протяжки за 1 проход с охлаждением до комнатной температуры. Для заключительных этапов деформации кузнечной заготовки в двухфазной области назначен достаточно узкий температурный интервал - на 30о ниже Тпп. Здесь также используют операции протяжки или чередование осадки и протяжки для цилиндрических заготовок. Число переходов увеличено и составляет от 2 до 6 с финишным уковом не менее 2,5. После охлаждения на воздухе промежуточную кованую заготовку подвергают механической обработке. В общем виде разработанные схема изготовления кузнечной заготовки и ее структура представлены на рисунке 4.13, где – степень укова.