Закономерности проявления эффектов водородного пластифицирования а+в и псевдо-в-титановых сплавов в условиях холодной деформации Мамонов, Сергей Александрович

Введение к работе

Актуальность работы. Развитие современной техники

(сверхзвуковая авиация, электроника, ракетостроение, ядерная энергетика и др.) невозможно без применения новых материалов.

К таким материалам относятся сплавы на основе титана. Титан и его сплавы стали использоваться в промышленности сравнительно недавно и ещё не исчерпаны все возможности использования высокого комплекса их физических, механических и химических свойств. Уже сейчас сплавы титана во многих случаях вытесняют высокопрочные алюминиевые сплавы и легированные стали.

Одним из эффективных способов изготовления изделий из титановых сплавов является листовая штамповка. При этом из подавляющего большинства титановых сплавов детали могут быть изготовлены только горячей деформацией. Холодная листовая штамповка ограниченно применяется в связи с низкой пластичностью большинства конструкционных титановых сплавов при нормальной температуре. Исключение составляют лишь технический титан марок ВТ 1-00, ВТ 1-0, а также титановые сплавы марок ОТ4-0, ОТ4-1, АТ2, ВТ15, ВТЗО.

С повышением температуры нагрева заготовок характеристики штампуемости увеличиваются, однако процессы окисления протекают более интенсивно, и их влияние особенно отрицательно проявляется на листовых полуфабрикатах, имеющих развитую поверхность. Происходит не только образование окалины, но и диффузия газов в металл, что сопровождается снижением пластичности при штамповке.

Особое место среди специальных титановых сплавов занимают сплавы на основе системы Ti-Nb, которые находят применение в качестве материала для производства сверхпроводников (сплав НТ-50, содержащий 50% Nb¹)- Сплав НТ-50 обладает высокими технологиче-

' В работе содержягтс яо.торода к .гепф>кшпк элсчстггоб їхазяло в % по чассе.

скими свойствами при тёплой и при холодной деформациях. Однако, этот сплав имеет высокую стоимость и значительный удельный вес из-за большого содержания дефицитного и тяжёлого ниобия. Снижение концентрации ниобия вызывает резкое ухудшение пластичности сплавов при нормальной температуре, необходимой для обеспечения требуемой степени холодной деформации сверхпроводника, позволяющей формировать требуемую структуру и специальные свойства.

В связи с этим представляет большой интерес возможность повышения деформируемости высокопрочных и специальных титановых сплавов за счёт использования эффекта водородного пластифицирования в процессах холодной обработки давлением.

Основной эффект повышения технологичности (увеличение пластичности и снижение сопротивления деформации) титановых сплавов, легированных водородом, связывается с благоприятным изменением их фазового состава и структурного состояния.

Возможная обратимость водородного легирования титана, высокая диффузионная подвижность водорода и благоприятное его воздействие на фазовый состав позволили разработать ряд оригинальных высокоэффективных технологий по изготовлению ответственных деталей титановых сплавов для авиационной и космической техники. В этой связи значительный интерес представляет не только использование в промышленности эффекта водородного пластифицирования при тёплой и горячей деформации титановых сплавов, но и разработка методов повышения пластичности при холодной деформации. Поэтому требуются более детальные исследования влияния водорода на фазовый состав, структуру, свойства и проявление эффекта водородного пластифицирования применительно к сверхпроводящим и высокопрочным титановым сплавам в условиях холодной деформации.

Цель работы:

На основании исследований влияния водорода на фазовый состав, структуру и свойства а+р- и псевдор- титановых сплавов установить закономерности проявления эффекта водородного пластифицирования сверхпроводящих и высокопрочных сплавов в условиях холодной деформации.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Исследовать влияние водорода на фазовый состав, структуру и характеристики холодной пластической деформации сверхпроводящих сплавов системы Ti-Nb.

2. Разработать технологическую схему производства экономноле-гнрованных сверхпроводников из сплавов системы Ti-Nb с использованием водородной технологии.

3. Исследовать влияние водорода на фазовый состав, структуру и закономерности холодной пластической деформации сплавов ВТ22 и ВТ22И.

4. Разработать технологическую схему холодной листовой прокатки и листовой штамповки высокопрочных титановых сплавов типа ВТ22.

Научная новизна:

1. Исследовано влияние водорода на изменение фазового состава, структуры и закономерности холодной пластической деформации сплавов системы Ti-Nb. в условиях сжатия и растяжения. Установлено, что легирование водородом повышает механическую стабильность р-фазы к

мартенситному р->а"-превращению, что способен вует развитию скольжения в однофазной структуре с высокой кристаллографической симметрией. Это сопровождается снижением деформирующих усилий и повышением пластичности сплавов системы Ti-Nb, содержащих не менее 23%Nb.

2. Показано, что образующийся в сплавах системы Ti-Nb-H гидрид с ОЦТ кристаллической решёткой (х-фаза) является механически нестабильным и в процессе холодной деформации у малолегированных сплавов (с содержанием ниобия до 23%) претерпевает превращение в ГЦК гидрид (5-фаза), а в высоколегированных сплавах - частично или полностью переходит в р-фазу. В результате этих превращений, в первом случае, сплавы охрупчиваются, а во втором - пластичность сплавов практически не изменяется.

3. Исследовано влияние водорода на формирование фазового состава, структуры и механических свойств высокопрочных титановых сплавов ВТ22И и ВТ22, в отожженном и закалённом состояниях. Показано, что водород способствует повышению стабильности р-фазы к мартенситному превращению при охлаждении от температур р-области и в процессе холодной деформации, что способствует повышению пластичности и снижению сопротивления деформации.

4. Установлено, что увеличение концентрации алюминия при переходе от сплава ВТ22И к сплаву ВТ22 принципиально не меняет закономерности влияния водорода на развитие фазовых превращений и изменение механических свойств при холодной деформации. Однако, повышение напряжений скольжения в однофазной р-структуре, вызванное твёрдорастворным упрочнением алюминием вызывает снижение пластичности и, соответственно, снижает эффект водородного пластифицирования сплава ВТ22 по сравнению со сплавом ВТ22И.

Практическая значимость:

1. Определена область составов сплавов системы Ti-Nb, легированных водородом, которые могут быть использованы для изготовления сверхпроводящих материалов. Рекомендован сплав Ti-35Nb-0,3H, который обладает комплексом механических свойств, соответствующих промышленному сплаву НТ-50 и имеет на 14-17% меньший удельный вес и на 11-13% дешевле сплава НТ-50. Разработана технологическая схемы получения сверхпроводящих многожильных кабелей из сплава Ti-35Nb-0,ЗН.

2. Разработана технологическая схема холодной листовой штамповки сплава ВТ22И, которая предполагает сквозное использование эффекта водородного пластифицирования как на стадии получения листовых заготовок горячей, тёплой или холодной прокаткой, так и на стадии холодной листовон штамповки. Определены режимы вакуумного отжига холодноштампованных изделий. Данная технология не имеет аналога в промышленности, ввиду низкой технологичности сплава ВТ22И, с исходным содержанием водорода, при холодной деформации.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены на 9 научно-технических конференциях и семинарах.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов по работе, списка использованной литературы из 110 наименований и приложения. Изложена на 130 страницах машинописного текста, содержит 82 рисунков и 22 таблицы.