Роль гадолиния в изменении структуры, фазового состава и эксплуатационных свойств жаропрочного титанового сплава ВТ38 при воздействии высоких температур до 700°С тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.01, кандидат наук Яковлев, Анатолий Львович

• Яковлев, Анатолий Львович
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Яковлев, Анатолий Львович

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЕ И ОБОЗНАЧЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Современные жаропрочные титановые сплавы

1.2 Кинетика окисления титана и его сплавов

1.3 Заключение по литературному обзору, постановка цели и задач работы 46 ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ 48 ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ ГАЗОНАСЫЩЕНИЯ СПЛАВА

ВТЗ 8 ПОСЛЕ РАЗЛИЧНЫХ ТЕМПЕРАТУРНО-ВРЕМЕННЫХ 52 ПАРАМЕТРОВ ТЕРМОЭКСПОЗИЦИИ

3.1 Разработка опытной технологии изготовления листов из сплава ВТ38

3.2 Оценка глубины газонасыщенного слоя методом измерения микротвердости

3.3 Оценка глубины газонасыщенного слоя гравиметрическим методом

3.4 Рентгеноструктурный фазовый анализ

3.5 Микрорентгеноспектральный анализ

3.6 Исследование изменения микроструктуры поверхностных слоев сплавов

ВТЗ8 и Ti-Mo-Nb-Al-Si после различных температурно-временных 88 параметров термоэкспозици

3.7 Выводы по главе 3 97 ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ СТРУКТУРБ1 СПЛАВА ВТЗ8

99

В ЗАВИСИМОСТИ ОТ СОДЕРЖАНИЯ ГАДОЛИНИЯ

Разработка опытно-промышленной технологии изготовления листов из

4.1

титанового сплава ВТЗ

4.2 Исследование влияния вс! на микроструктуру полуфабрикатов из сплава

104

ВТЗ

4.3 Исследование влияния содержания вс! на микроструктуру сплава ВТЗ8 в исходном состоянии и после термоэкспозиции

4.4 Выводы по главе 4

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ38

5.1 Исследование механических свойств сплава ВТЗ 8

5.2 Исследования влияния содержания Ос1 на усталостные характеристики ^^ сплава ВТЗ 8 после высокотемпературной выдержки

5.3 Выводы по главе 5 134 ВЫВОДЫ 135 СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

з

ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ

РЗЭ - редкоземельные элементы (металлы);

МЦУ - малоцикловая усталость;

СРТУ - скорость роста трещины усталости;

ГПУ - гексагональная плотноупакованная решётка;

Тпп - температура полиморфного превращения;

0 - характеристическая температура титана;

Тпл - температура плавления;

ов - предел прочности;

[Mo]eq - молибденовый эквивалент;

[Al]eq - алюминиевый эквивалент;

Ктс - коэффициент термостабильности;

0 - диаметр;

Kq - вязкость разрушения;

-АН - изобарный потенциал образования окислов; оо,2 - предел текучести; Е - модуль упругости; 85 - относительное удлинение;

R - коэффициент ассиметрии при испытаниях на МЦУ; ТИСп - температура испытания; Gmax - максимальное напряжение в нетто-сечении; стШ1П - минимальное напряжение в нетто-сечении; ^тахбрутт° - максимальное напряжение в брутто-сечении; Ra - коэффициент ассиметрии при испытаниях на СРТУ; v - частота циклов;

ОЦК - объемноцентрированная кубическая решётка;

H(i - микротвердость по Виккерсу;

МРСА - микрорентгеноспектральный анализ;

НЯС - твердость по Роквеллу;

ЗСВ - зоны свободные от выделений;

N - долговечность, при испытаниях на МЦУ;

f - частота, при испытаниях на МЦУ;

АК - размах коэффициента интенсивности напряжений;

с11 МЫ - скорость роста трещины;

НП - направление прокатки;

ат1 - длительная прочность на базе т часов при температуре испытания 1:0С; ао,2/т1 - сопротивление ползучести при деформации образца на 0,2% на базе т часов при температуре испытания 1°С; КСи - ударная вязкость;

КСТ - удельная работа разрушение образца с трещиной при ударном изгибе; НВ - твердость по Бриннелю;

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Роль гадолиния в изменении структуры, фазового состава и эксплуатационных свойств жаропрочного титанового сплава ВТ38 при воздействии высоких температур до 700°С»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы С увеличением скоростей полета летательных аппаратов возросла температура аэродинамического нагрева обшивки их крыльев, обтекателей и других узлов. В связи с этим возникла необходимость в разработке конструкционных листовых титановых сплавов высокотемпературного применения.

В существующей практике к жаропрочным титановым сплавам, применительно к деталям авиационной техники, предъявляется целый ряд требований. В зависимости от условий работы может быть выделено какое-то одно определяющее свойство и его величина должна быть максимально возможной, но, тем не менее, сплав должен обеспечивать и необходимый минимум целого комплекса свойств. К их числу относятся:

• Высокие значения кратковременной и длительной прочности во всем интервале рабочих температур;

• Термическая стабильность, т.е. способность сохранять определенный комплекс свойств во всем диапазоне рабочих температур и в течение всего времени эксплуатации;

• Высокое сопротивление усталости во всем диапазоне рабочих температур;

• Высокое сопротивление ползучести при рабочих температурах и заданных нагрузках;

• Низкие скорости роста трещины и высокие значения вязкости разрушения;

• Приемлемые технологические свойства и в первую очередь пластичность, обеспечивающие возможность получения стабильно качественных деталей.

Уже само по себе перечисление приведенных выше свойств показывает, насколько сложна задача создания материала, обладающего такими свойствами. Эта задача еще более усложняется в связи с

потребностью значительного увеличения ресурса работы деталей при одновременном снижении их стоимости, которая все резче проявляется в последнее время. Эти требования существенно меняют степень важности того или иного показателя свойств и выдвигают на первое место показатели, определяющие возможные сроки эксплуатации изделий (термостабильность структуры и способность сопротивляться проникающему окислению -жаростойкость) и, одновременно, высокую технологичность сплава. Существует и потребность в повышении температуры эксплуатации деталей компрессора из титановых сплавов, что позволило бы получить значительный выигрыш не только в весовой отдаче двигателя, но и в области снижения уровня вибраций двигателя, сокращении расхода топлива и т.д.

Одной из возможностей увеличения рабочих температур листовых титановых сплавов является их микролегирование редкоземельными элементами (РЗЭ). На основе исследований по микролегированию РЗЭ, в ВИАМ создан конструкционный листовой титановый псевдо а-сплав высокотемпературного (до 600°С) применения ВТ38 для летательных аппаратов нового поколения.

Однако до настоящего времени механизм влияния добавок РЗЭ на структуру и свойства титановых сплавов не установлен. Исследование изменения структурно-фазового состояния титановых сплавов легированных РЗЭ, особенно при температурах эксплуатации, является весьма важной и актуальной задачей современного материаловедения, т.к. дает возможность управления структурой и фазовым составом, а следовательно и комплексом свойств материалов в процессе эксплуатации.

Еще одной не менее актуальной проблемой является возможность получения тонких листов из сплава ВТ38 в условиях серийного производства, т.к. сплавы со схожей с ним системой легирования считаются труднодеформируемыми, их промышленное производство вызывает определенные трудности, как в технологическом, так и в экономическом аспекте.

Цель работы Изучение роли гадолиния в изменении структуры, фазового состава и эксплуатационных свойств жаропрочного титанового сплава ВТ38 при воздействии высоких температур до 700°С.

Задачи работы

1. Исследовать влияние микролегирования вс! на жаропрочные характеристики, механические и усталостные свойства сплава ВТ38.

2. Определить механизм влияния вс! на кинетику окисления титанового сплава ВТ38.

3. Установить влияние различного содержания вс! на изменение структуры и фазового состава сплава ВТ38.

4. Разработать технологии деформационной и термической обработок сплава ВТ38 для изготовления листовых полуфабрикатов.

Научная новизна работы

1. Установлено, что газонасыщение сплава ВТ38 идет по механизму фронтального окисления с образованием четко выраженного равномерного газонасыщенного слоя в интервале температур 500-700°С.

2. Установлено, что вплоть до температуры 600°С при выдержке 500 ч. не происходит значительного изменения структуры и фазового состава матрицы сплава. Интенсивный распад твердого раствора с образованием схг-фазы и фаз, содержащих в«! наблюдается при температуре 700°С. Образование указанных фаз препятствует скачкообразному увеличению скорости окисления сплава, характерному для указанной температуры.

3. Установлено, что введение вс! в количестве 0,2% оказывает наиболее эффективное модифицирующее действие, выраженное измельчением структурных составляющих как на стадии изготовления слитка, так и при деформации, что обеспечивает повышение механических характеристик сплава.

4. Установлено, что наличие в составе сплава ВТ38 0,2% вс!, замедляет процесс окисления матрицы сплава благодаря образованию оксидов вс1, модификация которых изменяется в процессе термоэкпозиции — содержание кислорода в оксиде вс! увеличивается при повышении температуры термоэкспозиции.

Практическая ценность работы

1. Разработана и опробована на ОАО "Корпорация ВСМПО-АВИСМА" опытно-промышленная технология изготовления листов толщиной 2,0 мм из жаропрочного титанового сплава ВТ38 для изделий авиационно-космической техники с целью повышения их ресурса и весовой эффективности конструкции. Выпущена ТР 1.2.2397-2014 «Изготовление полуфабрикатов и деталей штампосварных конструкций из жаропрочного листового титанового сплава ВТ38».

2. Определен рациональный уровень легирования сплава ВТ38 гадолинием, для получения высокого уровня жаростойкости и эксплуатационных характеристик целесообразно легировать сплав на максимально допустимое содержание вс! - 0,2%. Так, значения МЦУ у сплава с 0,2% вс! выше на 70% и 25%, чем у сплавов без вс! и с 0,05% вс! соответственно.

3. Определены механические свойства, в том числе малоцикловая усталость и скорость роста трещины усталости, листов из сплава ВТ38. Показано, что сплав ВТ38 обладает более высоким уровнем механических свойств по сравнению со всеми серийными жаропрочными листовыми титановыми сплавами, применяемыми в настоящее время: ств20 >971 МПа, ст,оо60°>240 МПа, ств/у >21,3 км, КШ = 2,4 - 3,9 МДж/м2.

4. Сплав ВТ38 может быть применен для замены серийных

жаропрочных листовых титановых сплавов, используемых в настоящее время

(ВТ20, ВТ18У и др.). Внедрение сплава ВТ38 позволит применить титановые

сплавы в узлах и агрегатах, работающих длительно (> 100 ч.) при

9

температуре до 600°С включительно и кратковременно до температуры 700°С, что обеспечит повышение весовой эффективности конструкции.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Современные жаропрочные титановые сплавы

Созданные в настоящее время жаропрочные титановые сплавы могут использоваться при температурах до 550°С [1]. Однако ресурс деталей при этих температурах является довольно ограниченным, что в современных условиях эксплуатации изделий крайне недостаточно. Именно поэтому представляется целесообразным более подробно рассмотреть возможности легирования титановых сплавов с целыо повышения ресурса до 600°С и перспектив повышения температуры эксплуатации жаропрочных титановых сплавов.

Жаропрочность материала, т.е. способность работать под напряжением в условиях повышенных температур без заметной остаточной деформации и разрушения, напрямую зависит от его жаростойкости - способности сопротивляться окислению при высоких температурах [52].

Современные жаропрочные титановые сплавы создаются на базе низкотемпературной а-модификации титана, имеющей ГПУ решетку, обладающую лучшим сопротивлением воздействию среды и нагрузок при повышенных температурах. В силу этого основным легирующим элементом этих сплавов является а-стабилизирующий элемент - алюминий, повышающий температуру полиморфного превращения (Тпп). Кроме этих элементов широко используются нейтральные элементы (цирконий и олово), не влияющие на Тпп. Поскольку возможности легирования перечисленными элементами ограничены, в состав сплавов в небольшом количестве (1-2%) вводятся элементы, понижающие температуру полиморфного превращения ф-стабилизаторы) [2, 27].

Все типы диаграмм, описывающие взаимодействие титана с возможными легирующими элементами, делятся на три группы, представленные на рис 1. Из трех типов диаграмм наибольшее значение для

создания жаропрочных титановых сплавов имеет первая группа, которая создает основу сплава. Вторая группа элементов используется в виде небольших добавок для придания создаваемым сплавам требуемых жаропрочных свойств. Третья группа - эвтектоидные (3-стабилизаторы -либо используется в очень небольших количествах, либо совсем не используется.

Рис.1 Схемы основных типов двойных систем титана [36].

Для оценки возможности предельного легирования титана различными элементами с целью повышения его прочностных, жаропрочных и других характеристик эксплуатационных свойств необходимо знать не только влияние отдельных элементов на температуру полиморфного превращения, но и их растворимость в а-модификации титана при температуре 500-600°С.

Нисходящий ряд растворимости легирующих элементов в а-титане при температуре 500°С представлен в таблице 1.

Из приведенных данных видно, что если исключить дефицитные, дорогостоящие и наиболее малорастворимые элементы, а, кроме того, элементы, сильно понижающие жаростойкость (а следовательно и жаропрочность) или термостабильность сплава, то останется всего 10-12

легирующих элементов, применение которых возможно при создании жаропрочных титановых сплавов.

Таблица 1 Нисходящий ряд растворимости легирующих элементов в а-титане (температура 500°С) [1].

Элемент Растворимость % масс. Элемент | Растворимость % масс. Элемент | Растворимость % масс.

Хг, НГ 100 N | 2 Ре | 0,47

Ьи 18-20 (800°С) У,Ьа 1,5 о 1 0,4

О 14 V | 0,8 Ве | <0,06

А1 7-8 XV <0,8 я 0,2

Та 6,5 Мп, Си, 1 Мо 0,5-0.6 С 0,09

1ЧЬ 4,5-5 Ке 1 <0,5 в 0,05

<3,2

Перспективность того или иного элемента для создания жаропрочных титановых сплавов можно оценить, рассмотрев его влияние на прочность межатомной связи в решетке а-модификации титана. На рис.2 приведены данные о воздействии некоторых элементов на характеристическую температуру 0, связанную с упругими константами, температурой плавления и некоторыми другими свойствами.

Рис.2 Влияние легирующих элементов на характеристическую температуру титана 0 [2].

Из рассмотрения зависимостей, приведенных на рис.2, видно, что а-стабилизаторы (алюминий, бор, углерод, азот и кислород) увеличивают прочность межатомной связи в решетке а-титана и поэтому повышают Тпп. Нейтральные легирующие элементы (цирконий, гафний) практически не влияют на дебаевскую температуру, а, следовательно, и на прочность межатомных связей, и в силу этого слабо влияют на изменение Тпп. [3-стабилизаторы (как изоморфные, так и, особенно, эвтектоидные) очень резко снижают прочность межатомных связей в решетке а-титана и тем самым заметно снижают Тпп, при этом в наименьшей степени понижают Тпп олово, тантал и ниобий.

Одним из важнейших показателей, определяющих режимы деформации, термообработки и температуру использования материала, является температура начала рекристаллизации сплава. В чистом титане (99,9%мас.) процесс рекристаллизации начинается при температуре ~ 490°С, что составляет ~ 0,3 Тпл [2, 50, 59].

На рис. 3 представлены данные по влиянию некоторых нейтральных элементов и (3-стабилизаторов на температуру начала рекристаллизации титана.

Рис. 3 Влияние различных элементов на температуру начала рекристаллизации иодидного титана [51]

Приведенные зависимости показывают, что наиболее резко температуру начала рекристаллизации повышают молибден, цирконий и гафний. В малых количествах положительно (повышают температуру начала рекристаллизации) действуют тантал и хром. Незначительно снижает эту температуру ниобий и довольно сильно - вольфрам. В качестве легирующих элементов, повышающих жаропрочные свойства титана, могут рассматриваться, также, железо, хром и марганец, если их количества не будут превышать пределы растворимости в а-фазе титана. Следует, однако, заметить, что окончательный выбор комплекса легирующих элементов должен быть сделан на основе анализа влияния того или иного элемента на ряд свойств будущего сплава, с учетом возможного взаимодействия легирующих элементов между собой и более того, на возможность технологической реализации идеи.

Продолжая анализ эффектов парных взаимодействий элементов с титаном, необходимо оценить влияние широкого круга возможных добавок на прочность сплава при повышенных температурах. На рис. 4 обобщены некоторые литературные данные по влиянию ряда элементов на кратковременную прочность а-титана при 400°С. Образцы испытывали в предварительно отожженном состоянии.

Рис.4 Влияние легирующих элементов на предел прочности титана при

400°С [53].

Приведенные данные показывают, что наиболее эффективными

упрочнителями а-фазы титана являются алюминий и эвтектоидообразующие

(3-стабилизаторы. Упрочняющее действие последних вызывается тем, что

при очень малой растворимости в а-титане и наличии

внутрикристаллической ликвации они приводят к гетерогенизации структуры

за счет выделения интерметаллидов. Нейтральные легирующие элементы

(цирконий и олово) заметно повышают кратковременную прочность только

16

при содержании их в количестве 8-10% (масс) Изоморфные (З-стабилизаторы проявляют себя различным образом. Так, например, ниобий и тантал очень незначительно влияют на прочность титана при повышенных температурах, а молибден и ванадий значительно повышают прочность а-титана при введении относительно небольших количеств этих элементов в сплав.

Показатели кратковременной прочности не всегда могут служить ориентиром при выборе легирующих добавок и особенно их оптимального количества для получения требуемых показателей жаропрочности.

Так, например, на рис. 5 представлена зависимость времени достижения остаточной деформации 0,2% при температуре 583°С и напряжении 165 МПа в сплаве ТМ100 в зависимости от содержания молибдена [3]. Как видно из приведенной зависимости при увеличении содержания молибдена более 0,5% (масс) скорость деформации заметно увеличивается, т.е. сопротивление ползучести существенно уменьшается. Очевидно это связано с появлением некоторого количества |3-фазы, которая существенно хуже сопротивляется нагрузке при высоких температурах.

Совершенно иначе проявляет себя нейтральный упрочнитель - олово (Рис. 6). При увеличении его содержания в сплаве ТЫ 100 до 3% (масс) скорость ползучести несколько падает и при дальнейшем росте его содержания в сплаве она практически не меняется. Вместе с тем, другая характеристика - относительное сужение, определенное при комнатной температуре на образцах после проведения испытаний на ползучесть, при увеличении содержания олова свыше 3% (масс.) резко снижается. Таким образом, увеличение содержания олова в сплаве свыше 3% (масс) приводит к снижению пластичности сплава, что также говорит о необходимости определения его оптимального содержания в зависимости от качества и количества компонентов сплава.

гы I ООО

х

<и

р

о о Г1

О. 20

К

§ 800

<гз

я

сх о

-е-

<и

г*

О 2 о

ё <->

о

200

_I_I_1_

0,25 0.5 0,75 1.0

Содержание Мо (вес %)

583°С / 165 МПа

Рис.5 Влияние содержания молибдена на время достижения остаточной деформации 0,2% (сплав Тл-1100) [3].

О

«Л

и

з->1

о

-а

•—1 О

2,0 1,5 1,0 0,5

| 0,0

_ 510" С О-. ^ — о ч 414 МПа \ \ \ ч

- чо -

- ^^О -о _

1 1 1

4.0

15,0

10,0

0.0

2.0 3,0

Содержание (вес. %)

^ н К о

О- о

С £ к

X о

£ *

СЗ

ЙС

О 5

5.0 ^

о ь-

к

и

н О

Гг

гЗ

С= о

о

Е" О О С

Рис.6 Влияние содержания олова на скорость ползучести сплава Т1-1100 и его относительное сужение после испытаний на ползучесть [3].

Аналогичным образом проявляет себя при испытаниях на ползучесть и другой часто применяемый при создании жаропрочных титановых сплавов элемент - кремний (рис. 7).

Как и в случае с оловом, увеличение содержания кремния в сплаве до 0,45% масс, приводит к заметному падению скорости ползучести, но при дальнейшем его увеличении она остается постоянной. Однако в отличие от воздействия олова, увеличение содержания кремния в сплаве способствует непрерывному уменьшению относительного сужения сплава.

Монотонное повышение сопротивления ползучести при увеличении содержания в сплаве того или иного элемента не подтверждено. Существует некоторое оптимальное количество элемента, которое определяется всей совокупностью элементов легирующей системы и их взаимодействием между собой.

К сожалению, увеличение объема литературной информации не приводит к появлению кардинально новых механизмов создания псевдо-а и

а+р жаропрочных титановых сплавов и набор легирующих элементов остается схожим в течение многих лет. Ясно, что исследователи, работающие в данной области, располагают не только приведенной информацией. Пытаясь получить оптимальную комбинацию свойств, разработчики давно опробовали большое количество возможных комбинаций из этих элементов и на этой базе создали существующие жаропрочные титановые сплавы.

В таблице 2 представлены химический состав, расчетные и практические значения температуры полиморфного превращения основных современных высокотемпературных титановых сплавов, разработанных в Великобритании (IMI685, IMI829, IMI834), США (651 A, 6242S, Til 100 и др.) и России (сплавы марки ВТ) [34, 42]. Сплавы, созданные в Китае, не рассматривались, поскольку они ничем не отличаются от тех, которые приведены в таблице 2.

Как отмечено выше, все сплавы имеют практически одинаковый набор основных легирующих элементов с небольшими вариациями их количеств и очень малыми добавками отдельных элементов. Исключение составляют сплавы, содержащие до 4% масс, молибдена, но они предназначены для работы при более низких температурах (до 550°С). В двух последних столбцах табл.2 приведены расчетные и экспериментально определенные значения Т|ш, при этом теоретические значения Тпп рассчитывалась по уравнению (1) приведенному авторами работы [4].

В0 = 0,326xMd - (1,95x10"4) хТ + 2,217: (1)

здесь В0 является параметром, показывающим степень перекрытия электронов между атомами и, следовательно, является мерой ковалентной связи в кристаллической решетке, a Md есть среднее значение между «е» и «t» уровнями энергии электронов на d-орбите, которое определяет такие важные классические параметры, как электроотрицательность элемента и его металлический радиус [4].

Поскольку расчетные и практические значения Тп„ достаточно точно совпадают, можно утверждать, что вне зависимости от точности методик определения реальных значений Т, тенденции ее изменения в зависимости от состава прослеживаются надежно. Как и следовало ожидать, малые изменения составов определяют и малую изменчивость физических свойств и в частности температуры полиморфного превращения, которая заметно ниже только у сплавов с высоким содержанием молибдена.

Таблица 2. Химический состав и температура полиморфного

превращения жаропрочных титановых сплавов.

Марка А1 Бп Ъх Мо 1ЧЬ Сг XV Ре С Расчеты. Практ.

сплава % % % % % % % % % % Тпп Тпп

1М1685 6 5 0,5 0,25 0,25 0,08 1006,94 -1025

1М1829 5,5 3,5 3 0,3 1 0,3 0,25 0,06 1026,77

1М1834 5,5 4 4 0,5 1 0,4 0,05 0,08 1030,41 -1040

651Л 6 2 5 1 0,25 0,13 0,02 1021,24

62428 6 2 4 2 0,25 0,25 0,05 1012,20

5621Б 5 6 2 1 0,25 0,04 1062,31

55218 5 5 2 1 0,5 0,08 1037,54

55228 5 5 2 2 0,5 0,08 1027,22

ТЫ1 4,5 2 3 1 0,5 0,06 995,34

ТП100 5,7 2,6 4 0,4 0,4 0,01 0,12 1031,88 -1014

В'ГЗ-1 6 2,5 0,25 2 0,45 0,1 971,20 950 - 980

ВТ9 6,4 1,7 3,3 0,27 0,25 0,1 997,53 960-1020

ВТ8-1 6,3 1 1 3,3 0,2 0,2 0,08 1006,66 970-1020

ВТ8М 5,5 4 0,2 0,2 0,08 974,48 960- 1000

ВТ18У 6,7 2,5 4 0,7 1 0,2 0,2 0,1 1039,63 990-1040

ВТ25У 6,5 1,7 3,7 4 0,2 1 0,15 0,1 997,78 970- 1010

ВТ41 6,2 3,5 3 1,15 1,5 0,32 0,6 0,11 0,1 1030,77

ВТ36 6,2 2,1 3,6 0,7 0,1 5 од 0,1 1007,47 990- 1040

В таблице 3 приведены расчетные значения молибденового (2) и алюминиевого эквивалентов (3) [5], рассчитанный по критерию Розенберга коэффициент термостабильности (4) [6], и рассчитанный по этим коэффициентам предел прочности существующих сплавов (5) [5, 28].

[Мо]сч = %Мо + %ЫЬ/3,3 + %Та/4 + %>У/2 + %У/1,4 + %Сг/0,6 + %Мп/0,6 + %Ре/0,5 + %Со/0,9 + %№/0,8 (2)

[Л1]еч - %А\ + %8п/2 + %гг/3 + 3,3*%$\ + 3,8 (3)

Ктс = 9 >%А1 + %8п/3 + %гг/6 +10- %0 (4)

= 235 + 60*[А1]% + 50*[Мо]8сч (5)

Так же как и в предыдущем случае, из таблицы следует, что малые видоизменения химического состава приводят к малым изменениям прочности, а при больших содержаниях молибдена и меньшем содержании алюминия - к заметному росту предела прочности и заметному увеличению термостабильности сплава. Следует также заметить, что все сплавы, предназначенные для кратковременной работы при температуре до 600°С (1М1834, ВТ18У, ТП100 и др.), содержат предельно возможное количество а-легирующих элементов и нейтральных упрочнителей, обеспечивающих их относительную термостабильность. Дальнейшее увеличение их количества в сплаве неизбежно приведет к появлению нестабильности, а уменьшение их количества вызовет падение жаропрочных свойств.

Таблица 3. Расчетные значения [Мо]еф [А1]еч, коэффициента термостабильности и предела прочности жаропрочных титановых сплавов [5].

Марка сплава [Мо]сч [А1]сс, Ктс ои, Мпа

1М1685 1 6,83 7,85 1015,3

1М1829 1,10 7,16 8,365 1065,4

1М1834 0,90 7,5 9,1 1115,9

651А 1,26 7,5 8,51 1091,8

62428 2,5 7,33 8,34 1130,4

56218 1 7,33 8,32 1082,5

55218 1 7 8,99 1102,0

55228 2 7 8,99 1152,0

Марка сплава [Мо]еч [А1]еч Ктс аи, Мпа

ТЫ1 1 5,66 7,67 1002,0

ТШОО 0,424 7,23 8,838 1063,1

ВТЗ-1 6,73 6 7 1154,6

ВТ9 3,8 6,77 7,769 1071,9

ВТ8-1 3,7 6,8 7,6 1109,9

ВТ8М 4,4 5,5 6,3 1046,9

ВТ18У 1,40 8,2 9,005 1124,0

ВТ25У 4,8 7,68 8,49 1278,3

ВТ41 2,1 7,87 1181,4

ВТ36 3,4 7,5 7,905 1281,9

По данным таблицы 3 построена диаграмма в координатах [Мо]еч - [А1]еч, представленная на рис. 8. Из этой диаграммы следует, что разработанные к настоящему времени титановые жаропрочные сплавы находятся практически в одной области диаграммы. Из всего перечня сплавов только три титановых сплава, предназначенные для кратковременной работы при температуре 600°С, используются на практике. Это сплавы: ТШОО, 1М1834, ВТ18У. Каждый из этих сплавов имеет свои преимущества и недостатки [7, 27, 54]. Так сплав ТПЮО имеет большую термостабильность, чем два других сплава, но, вместе с тем, меньшую жаропрочность и жаростойкость. Кроме того, он достаточно сложен в технологическом отношении. Сплав ВТ18У имеет более высокие характеристики прочности, жаропрочности, но отличается меньшей термостабильностью из-за большего содержания алюминия. Третий сплав -1М1834 - является компромиссом между первыми двумя.

5 4,5 4 3,5 3

О" о

ф 7 ^ £

2 1,5 1

0,5 0

5 6 7 8 9 10

_____|Л1|„

Рис 8. Диаграмма, характеризующая взаиморасположение жаропрочных титановых сплавов в зависимости от алюминиевого и молибденового

эквивалентов [7].

Все попытки получить лучшую комбинацию свойств за счет изменения состава к успеху не приводят. Приобретая что-нибудь в одном комплексе свойств, мы тут же теряем в другом.

Таким образом, на сегодняшний день определился оптимальный круг легирующих элементов в сплаве (и их количества), обеспечивающий получение относительно высокого уровня эксплуатационных характеристик при повышенных температурах.

Оптимальный комплекс состоит из следующих элементов: А1, Ъх, 8п, Мо, Мэ, 81 и примесей внедрения (С, О, 14). В этом легирующем комплексе каждый элемент выполняет свою функцию.

Алюминий, являясь а-стабилизатором, повышает Тпп, прочностные свойства и сопротивление ползучести, одновременно снижая плотность сплава. Его оптимальное содержание в сплаве не должно превышать

♦ВТ8> /1-1 втч ♦ 1 }Т25У

, ВТ8-1

л Л"Ч"|Ч

♦ ВТ41

ТМ1 651А 1М1829 ♦ ♦ ж 5621 в ♦ ВТ18У

1М168 5

« ТП100

т

6,7% масс. При большем содержании алюминия сплав теряет стабильность из-за образования частиц интерметаллида Т13А1, которые охрупчивают сплав (потеря термостабилыюсти).

Цирконий несколько снижает Т1Ш, но увеличивает прочность при комнатной и повышенной температурах. Его использование в количествах больших, чем 5-6% приводит к потере пластичности и сопротивления ползучести.

Олово нейтральный упрочнитель твердого раствора, дополняющий алюминий и позволяющий получать высокую прочность при повышенных температурах с несколько меньшей потерей термостабилыюсти и пластичности, чем в случае введения избыточных количеств алюминия. Его оптимальное количество находится в пределах 2-4%.

Молибден обеспечивает высокую прочность и длительную прочность при повышенных температурах, обеспечивает возможность повышения прочности и жаропрочности при старении сплава, повышает температуру рекристаллизации сплава. Вместе с тем, молибден снижает Тпп, а при его содержании выше 0,6-0,7% он вызывает понижение сопротивления ползучести и термостойкости.

Ниобий повышает сопротивление окислению сплава при высокотемпературных выдержках, если его количество не превышает пределов растворимости в а-фазе и не способствует образованию р-фазы совместно с другими Р-стабилизаторами. Обычно его количество не превышает 1% масс.

Кремний является элементом, отношение к которому крайне

противоречиво. По одним данным [6], кремний является важнейшим

элементом в жаропрочных титановых сплавах, поскольку увеличивает

прочность сплавов при всех температурах и оказывает значительное влияние

на их сопротивление ползучести. В другом источнике [7], авторы

установили, что при содержании в титановом сплаве циркония в количестве

4% масс, минимальная деформация при испытаниях на ползучесть

25

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Яковлев, Анатолий Львович, 2015 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Захаров М.В, Захаров A.M. Жаропрочные сплавы //М.: Металлургия. 1972 г. стр. 171.

2. Глазова В.В. Легирование титана // М.: Металлургия, 1966г.

3. Bania P.J. Ti-1100: a new high temperature titanium alloy //Six world conference on titanium, 1988г, T2, стр.825

4. Morinaga M., Yukawa N., Maya Т., Sone K., Adashi H. Theoretical design

______* L

of titanium alloys //Ti-1988 Science and Technology (Proceedings of the 6 World Conference on Titanium), Cannes, Les Editions de Physique, 1989 г., том 3, стр. 1601.

5. Колачев Б.A. //Proceedings Of The Ninth World Conference On Titanium, том 1. стр. 53.

6. Eylon D.E., Fujishiro S., Postans P.J., Froes F.H. High-Temperature Titanium Alloys. A Review //Journal of Metals, November 1984, p. 60.

7. Попов A.A., Трубочкин A.B. Легирование и термическая обработка жаропрочных сплавов титана //Сб. трудов Международной конференции Ti-2006 в СНГ. Из-во Киев, Наукова думка 2006г. стр. 148.

8. Hurlen Т. /П. Inst. Metals" 1960, v.5 №16, р.42.

9. Jenkins А. Е. //"J. Inst. Metals" 1954, v.82, №5, p.213.

10. Jenkins A. E. //"J. Inst. Metals" 1955-1956, v.84, №10, p. 1.

11. Корнилов И.И. «ТИТАН» //Изд-во «Наука», 1975г.

12. Войтович Р.Ф., Головко Э.И. Высокотемпературное окисление титана и его сплавов //Изд-во «Наукова думка» Киев, 1984г. стр. 69 «ТИТАН».

13. Hall W., Maynor H.W., Swift R.E. The scaling of titanium and titanium-base alloys in air //Corrosion, 1956,12, № 6, p.49-60.

14. Лайнер Д.И., Слесарева E.H. О влиянии некоторых легирующих добавок на окисление титана //Цветные металлы, 1962г. №2, с 70-76

15. Hauffe К. Oxidation of Metals Plenum //N.Y., 1965.

16. Ревякин А.В. //сб. «Титан и его сплавы», ИМЕТ им. Байкова, вып 8, Изд. АН СССР, 1962, с. 175.

17. Stringer J., Griffits N.S., Cowgill V.G. Nature //I960, v.185, №4709, p.304.

18. Архаров В.И., Лучкин Г.П. Рентгенографическое исследование высокотемпературного окисления титана и его сплавов //Труды Ин-та физики металлов Урал. Ф-ал АН СССР, 1955, вып. 16, с 101-116.

19. Корнилов И.И. Физико-химические основы жаропрочности сплавов //М.: Изд-во АН СССР, 1961 г, с.516.

20. Yoji Kosaka, Stephen p. Fox Creep Properties of Near Alpha Titanium

______Л iL

Alloys at Elevated Temperatures Higher Than 600 С //11 world conference on titanium, 2007 y, v. 1, p.257.

21. Верятин У.Д., Маширев В.П., Рябцев Н.Г. и др. Термодинамические свойства неорганических веществ //Справочник, Москва, Атомиздат, 1965г., стр. 438-431.

22. Мальцев М.В., Данилова Г.П., Каменская Е.А. //Сб. «Сплавы редких металлов», Металлургиздат 1960г, с. 34.

23. Udomphol Т., Wenman М., Voice W., Bowen P. "Micromechanisms of Fracture in Burn Resistant Ti-25V-15Cr-2Al-0,2C alloy" //10th world conference on titanium, 2003 y, v. V, p.2832.

24. Liu C. L., Zhao Y.Q., Qu H. L., ZHU K.Y., Wu H., Li Y.L. "Study on Microstructure of Ti40 Burn Resistant Titanium Alloy" //10th world conference on titanium, 2003 y, v. V, p.2825.

25. Hansen J. O., Novotnak D., Welter M.F., Wood J.R. "Properties and Processing of a High Strength Beta Titanium Alloy" //8th world conference on titanium, 1995 y, v. 1, p.678.

26. Хорев А.И., Мухина Л.Г., Жегина И.П. Влияние редкоземельных элементов на свойства титановых сплавов //В сб. статей «Легирование и термическая обработка титановых сплавов». М.: ОНТИ ВИАМ. 1977. С. 106— 113.

27. Иванов В.И., Ночовная H.A., Труды Международной научно-технической конференции «Научные идеи С.Т. Кишкина и современное материаловедение», 25-26 апреля 2006 // М., «ВИАМ», 2006 г., с. 98-103.

28. Lasanmonie A. Intermetallics //2004, v.14, N 10-11, р. 1123-1129.

29. Ravi С., Vajeeston P., Mathijiaya S., Asokamani R., Physical Review В //1999, v.60, N 23, p.l5683-15690.

30. Казанцева H.B., Лепихин С.В., Физика металлов и металловедение //2006 т. 102, N 2, с. 184-195.

31. Казанцева Н.В., Сазонова В.А., Лыжина Г.А. //Физика металлов и металловедение, 2006, т. 102, N 3, 310-315.

32. Kumpfert J., Titanium and Titanium Alloys: Fundamentals and Applications //Edited by Cr. Leyens, M. Peters, 2003, Wiley-VCH.Wiley-VCH Verlag GmbH and Co., KGaA. Wiemheim. c.59-85

33. Каблов E.H., Оспенникова О.Г., Вершков A.B. Редкие металлы и редкоземельные элементы — материалы современных и будущих высоких технологий //Труды ВИАМ. 2013. №2. Ст. 01 (viam-works.ru).

34. Ильин A.A., Колачев Б.А., Полькин И.С. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства//Справочник. М.: ВИЛС-МАТИ. 2009. 520 с.

35. Мальцев М.В., Морозов Л.II., Моисеев В.Н., Ефремов Ю.Н., Хорев А.И. Сравнительная окисляемость титановых сплавов различного типа при нагреве их на воздухе //Цветная металлургия №2, 1966, с. 142-146.

36. Цвиккер У. Титан его сплавы //М.: Металлургия, 1979 г. с.50-60.

37. Борисова Е.А., Скляров Н.М. Горение и пожаробезопасность титановых сплавов //Авиационные материалы и технологии, 2002 г. 44 с.

38. Хорев А.И., Создание теории комплексного легирования и микролегирования и разработка титановых сплавов //Материаловедение, 2009. №6, С. 30-40.

39. Хорев А.И. Титановые сплавы для авиакосмической техники и перспектива их развития (к пятидесятилетию создания лаборатории титановых сплавов) //НТ Сб. ВИАМ 2002г, с 11 -31.

40. Войтович Р.Ф., Головко Э.И. Высокотемпературное окисление титана и его сплавов// Изд-во «Наукова думка» Киев, 1984г. стр. 69

41. Кащук В.А., Светлов М.Б. Исследование некоторых свойств сплава BT5JT с добавками редкоземельных металлов //Сб.трудов Международной конференции Титан. Металловедение и технология. М.: ВИЛС, 1978, стр. 367-374.

42. Хорев А.И. Теория и практика создания современных комплексно-легированных титановых сплавов //В сб. Ti-2009 в СНГ. С. 288-302.

43. Хорев А.И., Белов С.Л., Глазунов С.Г. Металловедение титана и его сплавов.//М. 1992.

44. Логачев И.А., Разумовский В.И., Разумовский И.М., Косырев К.Л., Логачева А.И. Разработка теоретической процедуры оценки сбалансированности химического состава жаропрочного титанового сплава нового поколения и создание на этой основе методики оптимизации составов титановых сплавов // Титан. 2012. №4 (38). С. 27 - 32.

45. Хорев А.И. Основные направления создания современных комплексно-легированных титановых сплавов для авиакосмической и ракетной техники //В сб. Ti-2008 в СНГ. С. 337-351.

46. Хорев А.И. Комплексное легирование и термомеханическая обработка титановых сплавов. // М.: Машиностроение. 1979. 228с.

47. ПИ 1.2.785-2009 «Металлографический анализ титановых сплавов».

48. Глазунов С.Г., Моисеев В.Н.. Титановые сплавы. Конструкционные титановые сплавы. //М.: Металлургия. 1974. 368с.

49. Ерасов B.C., Гриневич A.B., Сеник В.Я., Коновалов В.В., Трунин Ю.П., Нестеренко Г.И. Расчётные значения характеристик прочности авиационных материалов //Авиационные материалы и технологии. 2012 г. №2. С.52-59.

50. Агеев Н.В. и др.// В сб. «Титан и его сплавы», вып. 2, Изд. АН СССР, 1952 г., т.86, №1, с.231

51. Abrahamson E.P. The role of dilute binary transition elements on the recrystallization of titanium// 1961 г., с. 8

52. Кубашевский О., Гопкинс Б. Окисление металлов и сплавов // М.: Металлургия, 1965 г., 523 с.

53. Гвоздев С.Г. // В Сборник «Об окисляемости титана и его сплавов», Труды ВАМИ, №40, Ленинград, 1957 г., с.420

54. Хорев М.А., Хорев А.И.. Титановые сплавы их применение и перспективы развития // Материаловдение. 2005. №7 с.75

55. Бай A.C., Лайнер Д.И., Слесарева E.H., Цыпин М.И. Окисление титана и его сплавов //М.: Металлургия, 1970г. стр. 88.

56. Глазунов С.Г., Солонина О.П., Каплин Ю.И., Никишов O.A. и др. Прессование титановых сплавов в изотермических условиях//В сб. статей «Легирование и термическая обработка титановых сплавов». М.: ОНТИ ВИАМ. 1977 г.. С. 222-229.

57. Шаханова Г.В., Перцовский Н.З., Брун М.Я., Родионов В.Л. Влияние размера зерна и внутризёренного строения на механические свойства титановых сплавов с пластинчатой структурой // Производство титановых сплавов, вып. №7. М.: ВИЛС, 1975 г., стр. 80-92.

58. Корнилов И.И. и др. Металлохимические свойства элементов периодической системы // «Наука, 1966 г. 556 с.

59. Бочвар A.A. Основы термической обработки сплавов // М.: Металлургиздат, 1940 г., 298 с.