Введение к работе
Актуальность работы. Разработка новых сплавов на основе титана и технологии их обработки невозможны без детального изучения фазовых и структурных превращений, происходящих в них при термическом и деформационном воздействии. Такие исследования широко проводились отечественными и зарубежными учеными и достаточно полно обобщены в работах Маквиллэна М. К., Цвиккера У., Коллингза Е.В., Носовой Г.И., Колачева Б.А. и Ильина А.А. Сплавы системы Ti-Nb довольно часто использовались в качестве объекта исследований. С одной стороны, они служат удобной модельной системой для изучения фазовых превращений в сплавах Ті с р-стабилизаторами, т.к. из-за близости значений атомных радиусов титана и ниобия можно не учитывать влияние размерного несоответствия атомов, а, с другой стороны, являются основой для создания сверхпроводящих-материалов. Для сплавов этой системы установлены концентрационные зависимости фазового состава, структуры и физико-механических свойств в закаленном и отожженном состоянии. Однако, появившиеся в последние годы новые технологии, использующие водород в качестве временного легирующего элемента, позволяющего управлять процессами структурообразова-ния в титановых сплавах ставят перед необходимостью проведения новых исследований, включающих в себя изучение влияния водорода на фазовые превращения и свойства титановых сплавов.
Технологические процессы, основанные на обратимом легировании водородом и включающие в себя на последнем этапе вакуумный отжиг, используются для повышения технологических и эксплуатационных свойств конструкционных и жаропрочных титановых сплавов. В то же время большой научный и практический интерес представляет использование водорода как постоянного легирующего элемента в сплавах, обладающих специальными свойствами, такими, как эффект запоминания формы, демпфирующая способность и сверхпроводимость. В последнем случае легирование водородом позволит более эффективно управлять структурой, технологичностью и уровнем специальных свойств.
Исследования, направленные на установление влияния водорода на закономерности изменения структуры и свойств сплавов сие-
темы Ti-Nb при термическом и деформационном воздействии имеют большое практическое значение. Они позволят определить область составов водородосодержащих сплавов, обладающих сверхпроводящими свойствами и высокой технологичностью. На этой основе можно разработать технологию обработки сверхпроводящих сплавов с пониженным содержанием ниобия, а, следовательно, с меньшим удельным весом и более низкой себестоимостью по сравнению с применяемым в настоящее время промышленным сплавом НТ50.
Цель настоящей работы заключалась в установлении закономерностей влияния термической обработки и холодной пластической деформации на формирование фазового состава и структуры, механические и сверхпроводящие свойств сплавов системы Ti-Nb, дополнительно легированных водородом, и в определении на их основе перспективных составов технологичных водородосодержащих сплавов с пониженным содержанием ниобия для производства промышленных многожильных сверхпроводников.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Уточнить влияние термической обработки на структуру и свойства сплавов системы Ti-Nb.
-
Установить влияние дополнительного легирования водородом и термической обработки на фазовый состав, структуру и свойства сплавов системы Ti-Nb.
-
Определить влияние фазового состава и структуры на закономерности холодной пластической деформации сплавов системы Ti-Nb-H.
-
Выбрать область составов сплавов системы Ti-Nb-H. которые обладают сочетанием высоких технологических и сверхпроводящих свойств при минимальном содержании ниобия, обеспечивающем снижение удельного веса и себестоимости сверхпроводника и разработать технологию их обработки.
Научная новизна работы
1) Установлено влияние скорости охлаждения от температур р-области на формирование фазового состава, структуры и
свойств сплавов системы Ti-Nb, которое обобщено в виде диаграммы "фазовый состав - скорость охлаждения - содержание ниобия".
-
Определены закономерности формирования фазового состава, структуры и свойств сплавов системы Ti-Nb-H после высокотемпературной термической обработки, которые обобщены в виде диаграмм "фазовый состав закаленных сплавов - содержание ниобия и водорода" и "фазовый состав сплавов - скорость охлаждения - содержание водорода".
-
Показано, что в сплавах, содержащих от 5,4 до 18,1% Ш и более 5% водорода происходит образование новой, неизвестной ранее в титановых сплавах фазы X. которая представляет собой гидрид с ОЦТ кристаллической решеткой, отношение с/а которого зависит от концентрации ниобия в сплаве и находится в пределах 1,1 1,2.
-
Изучено влияние исходного фазового состава на закономерности фазовых и структурных превращений, происходящих в сплавах системы Tl-Nb-H при холодной пластической деформации сжатием. Показано, что в сплавах, содержащих менее 13,4 ат.% Nb и более 5 ат.% водорода, в структуре которых образуется гидрид с ОЦТ кристаллической решеткой, при деформации происходит образование гидрида с ГЦК кристаллической решеткой, что вызывает сильное ох-рупчивание сплавов.
-
Установлено, что водород повышает стабильность р-фазы как к атермическому |$-а"-превращению. так и к превращению под действием напряжений и деформации, и, как следствие, приводит к повышению технологической пластичности сплавов системы Ti-Nb критического и закрити-ческого состава.
Практическая значимость работы
Определена область сплавов системы Tl-Nb-H, которые могут быть использованы в качестве сверхпроводников, обладающих соче-
* В работе содержание водорода и ниобия указано в ат.%
- б -
танием высоких технологических и сверхпроводящих свойств при минимальном содержании ниобия и разработаны режимы наводоражи-
вающего отжига при температуре 650 700 С до концентрации
12 20% Н. Такие сплавы обладают на 14 17% меньшим удель
ным весом и на и 13% более низкой стоимостью по сравнению с
применяемым в настоящее время промышленным сплавом НТ50.
Результаты работы использованы в ОКБ "Горизонт" для разработки нового сверхпроводящего сплава и технологии его обработки, что подтверждено соответствующим актом.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены на г.. научно-технических конференциях и семинарах.
Публикации. По теме диссертации опубликовано .9. работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов по работе, списка использованной литературы из д.т наименований и приложения. Изложена на 39 страницах машинописного текста, содержит S3 рисунков и /2. таблиц.
