Влияние газонасыщенных слоёв и оксидных плёнок, формирующихся при воздушном отжиге, на сопротивляемость тонколистовых титановых полуфабрикатов динамическим нагрузкам тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.01, кандидат наук Шахов Сергей Викторович

• Шахов Сергей Викторович
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Шахов Сергей Викторович

Введение

Глава 1. Состояние вопроса и постановка задач исследований

1.1 Особенности технологии получения тонколистовых титановых полуфабрикатов

1.2 Взаимодействие титановых сплавов с газами при нагреве и отжиге

1.3 Примеси внедрения в титановых сплавах и их влияние на механические свойства

1.4 Влияние газонасыщенных слоев на механические характеристики титановых сплавов

1.5 Термическая обработка титановых сплавов

1.6 Влияние отжига на механические характеристики титановых сплавов

1.7 Влияние отжига на механические характеристики сварных соединений из титановых сплавов

1.8 Заключение по литературному обзору и формулирование цели и задач диссертационной работы

Глава 2. Объекты и методы исследования

2.1 Объекты исследования

2.2 Методы исследования

Глава 3. Влияние газонасыщенных слоев и оксидных пленок на

работоспособность тонколистовых титановых полуфабрикатов в условиях усталостного и динамического нагружения

3.1 Исследование влияния газонасыщенных слоев на малоцикловую усталость титановых сплавов различных групп прочности

3.2 Исследование совместного влияния газонасыщенных слоев

и оксидных пленок на малоцикловую усталость тонколистовых полуфабрикатов

3.3 Исследование влияния газонасыщенных слоев на ударную вязкость тонколистовых титановых полуфабрикатов различных групп прочности

3.4 Исследование совместного влияния газонасыщенных слоев и оксидных пленок на ударную вязкость тонколистовых полуфабрикатов

3.5 Топографический анализ окисленной поверхности и фрактография изломов образцов после испытаний на ударную

вязкость

Выводы по главе

Глава 4. Влияние регламентированных газонасыщенных слоев и оксидных пленок на технологическую пластичность титановых сплавов и динамические характеристики сварных соединений... 94 4.1 Влияние параметров газонасыщенных слоев и оксидных пленок на временное сопротивление разрыву, угол загиба и технологическую пластичность титановых сплавов

4.1.1 Временное сопротивление разрыву

4.1.2 Угол загиба и технологическая пластичность

4.3 Влияние газонасыщенных слоев и оксидных пленок на малоцикловую усталость и ударную вязкость сварных соединений титановых сплавов

4.3.1 Малоцикловая усталость сварных образцов без концентраторов

4.3.2 Малоцикловая усталость и ударная вязкость ЗТВ

сварных соединений с концентраторами

Выводы по главе

Выводы по работе

Список цитируемой литературы

Приложение 1. Акт внедрения

Введение

Актуальность темы исследования

Надежность и работоспособность тонколистовых титановых полуфабрикатов, применяемых в изделиях авиационной техники, в значительной мере зависят от выбора оптимальных параметров процессов их изготовления: в частности, от наличия газонасыщенных слоев и оксидных пленок на поверхности металла, формирующихся в процессе нагрева.

Наряду с преобладающими сведениями об отрицательном воздействии газонасыщенных слоёв, имеются данные об их положительном влиянии, которое связано с достижением в приповерхностных слоях оптимальных концентраций кислорода. При неполном удалении газонасыщенных слоев возможно улучшение механических характеристик, в частности, малоцикловой усталости. Одновременно решается задача сокращения безвозвратных потерь

дорогостоящего металла при травлении в производстве листовых титановых полуфабрикатов.

Однако, чтобы использовать листовые полуфабрикаты с регламентированными газонасыщенными слоями, необходимо исследовать ряд вопросов, связанных с технологией их производства.

В процессе изготовления тонкостенных конструкций титановые листы подвергаются различным операциям, в том числе отжигу и сварке, приводящим к формированию поверхностных оксидных плёнок и структурным изменениям. В литературе отсутствуют сведения о совместном влиянии на малоцикловую усталость, ударную вязкость и технологическую пластичность частично сохраняемых газонасыщенных слоёв и оксидных плёнок. Нет данных и о влиянии указанных факторов на работоспособность сварных соединений с в-превращенной крупнозернистой структурой в условиях усталостного и динамического нагружения.

Поэтому исследование влияния объемной и поверхностной структуры в листовых полуфабрикатах из титановых сплавов а- и (а+в)- классов полученной в

процессе различных видов обработки, приводящих к окислению, на их технологические и механические свойства, является актуальной задачей.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние газонасыщенных слоёв и оксидных плёнок, формирующихся при воздушном отжиге, на сопротивляемость тонколистовых титановых полуфабрикатов динамическим нагрузкам»

Цель работы:

Цель работы состояла в установлении закономерностей влияния глубины поверхностных газонасыщенных слоев и оксидных плёнок, сформировавшихся при различных видах обработки, на свойства тонколистовых титановых полуфабрикатов в условиях динамического нагружения.

Для реализации поставленной задачи необходимо было решить следующие задачи:

1. Изучить влияние частично сохраняемых газонасыщенных слоев на малоцикловую усталость и ударную вязкость листовых полуфабрикатов из титановых сплавов ВТ1-0, ПТ7м и ВТ6ч.

2. Установить закономерности совместного влияния частично сохраняемых газонасыщенных слоёв и оксидных плёнок, формирующихся в процессе различных режимов воздушного отжига, на малоцикловую усталость, ударную вязкость и технологическую пластичность листов из титановых сплавов.

3. Оценить влияние глубины газонасыщенного слоя на технологическую пластичность и работоспособность в условиях динамического нагружения сварных соединений, выполненных из листовых полуфабрикатов титановых сплавов ВТ1-0, ПТ7м и ВТ6ч.

4. Разработать технологические рекомендации по созданию на поверхности титановых листов газонасыщенных слоев заданной глубины, обеспечивающих повышенную эксплуатационную долговечность в условиях динамических нагрузок при одновременном сохранении технологической пластичности.

Научная новизна:

1. Выявлен эффект положительного воздействия оксидных пленок толщиной 35-45 нм, формирующихся при низкотемпературном воздушном отжиге в интервале температур 350-450 °С, на сопротивляемость листов из

титановых сплавов ВТ1-0, ПТ7м малоцикловой усталости и ударной вязкости. Значения малоцикловой усталости технического титана ВТ1-0 возрастают на 510%, сплава ПТ7м на 15-40%, а ударной вязкости - на 15% и на 65% соответственно в сравнении с основным металлом.

2. Установлено, что поверхностные оксидные пленки в максимальной мере увеличивают сопротивляемость титановых листов динамическим нагрузкам без газонасыщенных слоев и с газонасыщенными слоями с перепадами микротвердости ДНУ < 20%. Для титана ВТ1-0 выявлен рост значений малоцикловой усталости до 60%, а для сплава ПТ7м - до 40%, а для сплава ВТ6ч -до 10%.

3. Показано, что положительный эффект от оксидных пленок максимально проявляется для листов с мелкозернистой микроструктурой. Для крупнозернистой в-превращенной микроструктуры, формирующейся в зоне термического влияния сварных соединений исследуемых титановых сплавов ВТ1-0, ПТ7 м и ВТ6ч, эффект снижается в 2-3 раза.

Теоретическая и практическая значимость:

1. Выявлены оптимальные параметры газонасыщенных слоев, повышающие на 10...60% малоцикловую усталость и ударную вязкость листов из титановых сплавов различных групп прочности, а именно, ВТ1-0, ПТ7м и ВТ6ч.

2. По результатам исследований влияния оксидных пленок на малоцикловую усталость, ударную вязкость, кратковременную прочность, а также технологическую пластичность обоснована целесообразность применения низкотемпературного воздушного отжига листовых титановых полуфабрикатов при Тотж. = 350.450 °С как при наличии газонасыщенных слоев, так и без слоя.

3. Установлено, что удаление оксидных пленок, формирующихся при низкотемпературном воздушном отжиге на поверхности сварных соединений листовых титановых сплавов, повышает их малоцикловую усталость на 20.40%.

4. Основные результаты работы использованы на ПАО «ВАСО» при корректировке технологических процессов изготовления тонколистовых

титановых конструкций, позволяющие повысить эксплуатационную долговечность изделий из титановых сплавов при одновременном снижении прямых производственных затрат в процессе их изготовления, что подтверждено Актом использования, приведенном в Приложении к диссертации.

Методология и методы исследования

В качестве методологической основы исследования послужили работы ведущих российских и зарубежных ученых, государственные стандарты РФ.

При выполнении работы были использованы современные методы исследования: измерение микротвердости, испытания на малоцикловую усталость и ударную вязкость, испытания на кратковременный разрыв, угол загиба, испытания на пробу Эриксена. Топографический анализ окисленной поверхности образцов и фрактографию изломов образцов проводили с использованием методов электронной микроскопии. Результаты механических испытаний подвергали математической обработке с использованием специального программного обеспечения.

Положения, выносимые на защиту

1. Результаты исследования влияния регламентированных газонасыщенных слоев на малоцикловую усталость и ударную вязкость тонколистовых титановых полуфабрикатов различных групп прочности.

2. Характер воздействия оксидных пленок, формирующихся в процессе воздушного отжига, на малоцикловую усталость и ударную вязкость тонколистовых титановых полуфабрикатов при наличии регламентированных газонасыщенных слоев и без слоя.

3. Характер совместного влияния оксидных пленок и газонасыщенных слоёв на технологическую пластичность листов из титановых сплавов.

4. Особенности влияния газонасыщенных слоев и оксидных пленок на работоспособность металла зоны термического влияния сварных соединений в условиях малоцикловой усталости и динамического нагружения.

Степень достоверности результатов

Результаты испытаний получены на поверенном оборудовании с использованием лицензионного программного обеспечения, испытания и измерения проводились в соответствии с требованиями ГОСТ и ОСТ, достоверность результатов подтверждается хорошим совпадением экспериментальных данных, полученных различными методами, использованием методов математической статистики при обработке результатов.

Апробация результатов

Материалы работы докладывались и обсуждались на 5 научно-технических конференциях: на XXXIV Всероссийской конференции «Наука и технологии» посвященной 90-летию со дня рождения академика В.П. Макеева (Миасс, 2014); на 7-м Всероссийском молодежном конкурсе научно-технических работ и проектов «Молодежь и будущее авиации и космонавтики» (Москва, МАИ, 2015); на Региональной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Инновационные разработки молодых ученых Воронежской области на службу региона» (Воронеж, 2016); на 9-м Всероссийском молодежном конкурсе научно-технических работ и проектов «Молодежь и будущее авиации и космонавтики» (Москва, МАИ, 2017); на XVIII Международной научно-технической конференции и школы молодых ученых, аспирантов и студентов «Авиакосмические технологии-2017» (Воронеж, 2017).

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ

ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Особенности технологии получения тонколистовых титановых

полуфабрикатов

Особенности кристаллической структуры, физических и химических свойств титана и его сплавов предопределяют комплекс технологических свойств, существенно отличающихся от технологических свойств сталей, алюминиевых сплавов и сплавов тяжелых цветных металлов.

Наиболее важными технологическими факторами, влияющими на получение готовых полуфабрикатов из титановых сплавов, являются:

1. Низкая теплопроводность титановых сплавов. Пониженное значение теплопроводности приводит к значительным температурным перепадам по сечению слитков и заготовок при нагреве, к возникновению значительных напряжений и в отдельных случаях к появлению трещин. Это обуславливает необходимость ограничения скорости нагрева особенно слитков и крупногабаритных заготовок. Низкая теплопроводность титана и его сплавов оказывает отрицательное влияние и в процессе самой горячей деформации. Наличие зон наиболее интенсивной деформации при малой теплопроводности вследствие теплового эффекта деформации приводит к значительному перегреву металла этих зон, ухудшению их структуры и свойств.

2. Высокая химическая активность титана и его сплавов. При нагреве титан и его сплавы активно взаимодействую с кислородом, азотом и другими кислородосодержащими газами атмосферы. При нагреве заготовок в воздушной атмосфере на поверхности образуется плотная окалина, начинающая отслаиваться при температурах выше 900 °С. Помимо образования окалины происходит диффузия кислорода и азота вглубь металла с образованием газонасыщенных слоев. Толщина газонасыщенных слоев в зависимости от температуры и продолжительности нагрева может достигать нескольких миллиметров.

Поверхностные газонасыщенные слои приводят надрывам при деформации и ухудшению качества поверхности. Готовые листы, профили, трубы и другие полуфабрикаты, имеющие газонасыщенные слои имеют пониженные показатели пластичности при испытаниях на изгиб и разрыв. В связи с этим готовые полуфабрикаты подвергают механической, дробеструйной обработке или травлению.

3. Наличие полиморфного а^в превращения. Нагрев до температур, соответствующих в области и дальнейшее повышение температуры приводит к значительному повышению пластичности и снижению сопротивления деформации. Однако в большинстве случаев деформация в в области не дает возможности получения структуры с высокими эксплуатационными свойствами. Оптимальная структура может быть получена при деформации в а+в.

4. Ограниченные возможности холодной пластической деформации титановых сплавов.

Для получения листовых титановых полуфабрикатов, а также фольги используют карточный и рулонный способы. В данных способах используют горячую, теплую и холодную прокатку в зависимости от толщины получаемых полуфабрикатов. Во всех случаях горячая прокатка представляет головную операцию в технологических схемах получения листовых полуфабрикатов из титановых сплавов. Методом горячей обработки изготавливают листы, заготовку для получения тонких листов и рулонов 3,5-6 мм.

Для прокатки листов или промежуточных заготовок толщиной 2-5 мм используют теплую прокатку в интервале температур 840-500 °С.

Холодную прокатку используют в основном для получения более тонких листов 0,3-1,8 мм с применением промежуточных отжигов [2, 55].

Общая технологическая схема производства листовых полуфабрикатов приведена на рис. 1.1 [55].

Рисунок 1.1 - Общая технологическая схема производства листовых

полуфабрикатов из титановых сплавов [55]

1.2 Взаимодействие титановых сплавов с газами при нагреве и отжиге

Согласно литературным данным, приведенным выше технология производства титановых полуфабрикатов, в том числе и листовых, а также последующие операции их обработки для получения готовых деталей и узлов в большинстве своих случаев связаны с нагревом. При операциях нагрева и термической обработке титановых сплавов в воздушной атмосфере выше 600...650 °С, необходимо учитывать его активное взаимодействие с газами атмосферы. При нагреве выше указанных температур происходит окисление поверхности с образованием плотной окалины. Скорость взаимодействия азота с титановыми сплавами значительно меньше, чем кислорода [1, 2].

Появление окисной пленки на поверхности титана становится заметным после нагрева на воздухе при 300.400 °С. Детальный обзор экспериментов, связанных с окислением титана и его сплавов, дан в работах [4, 5]. При этом кроме образования окисных пленок в поверхностных слоях сплавов при нагреве происходит растворение кислорода в матрице основного металла. В интервале температур от 550.600 °С начинается более интенсивное растворение кислорода в титане, с образованием диффузионных газонасыщенных слоев повышенной твердости [3].

Так же при взаимодействии титана и его сплавов с кислородом воздуха на поверхности металла образуется слой рутила (ТЮ2), альфированный и переходный слои. В альфированном слое содержание кислорода постепенно уменьшается от предела растворимости кислорода в а-фазе до его содержания в основном металле, в результате количество а-фазы постепенно уменьшается от 100% на границе раздела с рутилом до значения, свойственного основному металлу [28].

В настоящее время существует большое количество работ посвященных изучению кинетики взаимодействия титановых сплавов с газами при нагреве и термической обработке, а так же влияния легирующих элементов на данные механизмы окисления.

По данным авторов [4] кинетика окисления титана на воздухе может быть описана различными выражениями, вид которых зависит от температуры и времени выдержки. В литературе принято отдельно рассматривать интервалы температур 25.300 °С; 300.600 °С; 600.800 °С; 800.1000 °С; 1000.1200 °С; ниже 600.650 °С обычно говорят о низкотемпературном окислении титана. Законы окисления титана для различных температурных областей и промежутков времени приведены ниже в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Законы окисления титана для различных температурных областей и промежутков времени

Температура, °С Закон окисления Время окисления, ч. Качество титана

300-555 Л 0,1-20 технический

550-700 П 0,1-20 технический

550-850 П 0,1-20 технический

350-600 П до 2 йодидный

К до 2 технический

Примечание: Л - логарифмический; П - параболический; К - кубический

Интерпретация различных механизмов окисления затруднена вследствие высокой растворимости кислорода в титане, поэтому необходимо учитывать не только формирование окисного слоя и диффузионные процессы в нем, но также и растворение кислорода в металле. Толщина оксидной пленки возрастает с повышением температуры и длительности выдержки. После создания чистой поверхности и вылеживания на воздухе при комнатной температуре толщина оксидной пленки составляет 1,7 нм через 2 ч; 3,5 нм через 40 сут.; 50 нм через 70 сут.; 7,5 нм через 545 сут. и 25 нм через 4 г [6].

Переход от параболического к линейному закону окисления кинетики окисления при высоких температурах обычно объясняют потерей плотного

контакта оксидной пленки с металлом и возрастанием ее дефектности [4, 5, 10, 18].

В работе [14] изучали влияние легирующих элементов на газонасыщение сварных соединений из титановых сплавов ВТ1-0, ОТ4, ВТ20, ВТ14, ВТ5-1, ВТ6С при высокотемпературном воздушном отжиге. Показано, что при содержании 3% Al повышает окисляемость сплавов, так при 750 °С образуется плотная окалина, препятствующая дальнейшему проникновению кислорода в металл. Выявлено, что легирование V, Mn, O и Zr также способствует ускорению процесса окисления. Важно отметить, что толщина газонасыщенного слоя на поверхности основного металла, ОШЗ и поверхности шва оказалась практически одинаковой.

Для установления влияния температуры нагрева на растворимость кислорода, азота и водорода в работе [2] проводили газовый анализ образцов, выполненных из титанового сплава ВТ1-1. Данные образцы нагревали в интервале температур 750.1000 °С в течении 1 ч. Полученные результаты свидетельствуют о том, что основным газом, растворяющимся в титане до 1000 °С является кислород. Растворение азота в интервале исследуемых температур при нагреве на воздухе не выявлено. Результаты анализа на водород не показали, какой-либо закономерности. Следовательно, охрупчивание поверхности титана при нагреве титана на воздухе в интервале температур до 1000 °С вызывает кислород.

В работе [15] оценивали изменение микротвердости поверхности образцов сплава ВТ1-0 в зависимости от времени и температуры, как показывают измерения микротвердости образцов после нагрева титана при 500 °С в течении 8 часов, кислород в металле не растворялся. Первые признаки растворения кислорода в металле начинают проявляться при температуре нагрева 550 °С в течении 2 ч и более, а при температуре 600 °С в течении 1 ч и более. После нагрева при 650 °С растворение ощутимо уже через 15.30 мин.

В работе [19] проводили исследование влияния длительного нагрева 25.1000 ч на кинетику окисления титана ВТ1-0 на воздухе при температурах

200-800 °С (нагрев выполняли с интервалом 100 °С). Толщина образующихся пленок изменялась в пределах 6.15 нм (200 °С); 14,5.49 нм (300 °С); 35.1215 нм (400 °С); 0,8.10 мкм (500 °С); 4.10 мкм (600 °С); 10.70 мкм (700 °С) и 75.660 мкм (800 °С).

При изучении длительного окисления (до 30 000 ч) титановых сплавов ОТ4 и ОТ4-1 на воздухе при температуре 200, 300 и 400 °С выявлено, что при данных температурах не происходит поверхностного газонасыщения поверхности образцов. Увеличение твердости на поперечных шлифах при минимально возможном удалении их от края на 15.20 мкм, а также небольшое изменение периодов кристаллической решетки обусловлено предысторией образцов и не связано с газонасыщением образцов [20].

В работе [25] авторы приводят данные о газонасыщении титана ВТ1-0 и сплава ОТ4-1 толщиной 1,0 мм при воздушном отжиге по режимам 550 °С и 650 °С в течении 1,5 ч. Глубина газонасыщенного слоя измеренная методом микротвердости составила после отжига при 550 °С примерно 12.16 мкм, а после отжига 650 °С примерно 18.20 мкм (для обоих сплавов).

В более поздней работе данных авторов [26] изучено окисление и газонасыщение титана ВТ1-0 и сплава ВТ14 при воздушном отжиге про режимам 400.600 °С в течении 1.10 ч. Глубина газонасыщенного слоя измеренная методом микротвердости при температуре нагрева 400 °С и выдержке 10 ч. была меньше порога чувствительности, т.е. менее 5 мкм. Аналогичная картина наблюдается для температуры нагрева 500 °С при выдержках 1,3 и 5 ч. При выдержке 10 ч для данных марок сплавов имеет место возрастание глубины газонасыщенного слоя до 7 мкм. После воздушного отжига по режимам 600 °С - 5 ч. и 600 °С - 10 ч глубина газонасыщенного составила 7 и 10 мкм.

В работе [2] проводили исследование влияния фазового состава на окисляемость а+в титановых сплавов ВТ14, ВТ16, ВТ15, данные сплавы в отожженном состоянии состояли из а-фазы и 10, 20, 80% в-фазы. Образцы нагревали в интервале температур 700.1100 °С со свободной циркуляцией

воздуха. Основные закономерности изменения микротвердости для данных сплавов в зависимости от температуры и времени нагрева те же, что и для технического титана. Однако имеется тенденция к увеличению глубины проникновения газов при увеличении содержания в-фазы.

Авторами работы [57] изучены закономерности окисления высоколегированного титанового сплава ВТ18 и характер перераспределения легирующих элементов в зависимости от глубины газонасыщенного слоя. Показано неравномерное распределение алюминия по глубине слоя, пониженное содержание циркония и в два раза меньшее содержания молибдена и ниобия в газонасыщенном слое по сравнению с основным материалом. Так же исследован фазовый состав сплава, установлено, что фазовый состав состоит из двух а-фаз: обогащенной и обедненной легирующими элементами.

1.3 Примеси внедрения в титановых сплавах и их влияние на механические

свойства

Механические свойства титановых сплавов зависят от содержания примесей, а именно, примесей внедрения - кислорода, азота, углерода, водорода и примесей замещения - кремния и железа. Наиболее сильное влияние на механические свойства титановых сплавов оказывают примеси внедрения. Влияние кислорода в титановых сплавах можно сравнить с поведением углерода в сталях [6, 21].

По степени упрочнения титана примеси внедрения можно расположить в следующем порядке: азот, кислород, углерод. Содержание данных примесей в титановых сплавах ограничивается следующим количеством: <0,05% N2; <0,25% О2; <0,05% С [21].

Кислород и азот обладают высокой растворимостью в титановых сплавах и особенно в а-титане. При растворении кислорода и азота в а-фазе период с возрастает довольно сильно, а значения а незначительно, что в свою очередь приводит к увеличению отношения осей с/а и приближению его к теоретическому

значению 1,633. Поэтому при большом содержании кислорода и азота в наибольшей степени повышается значение предела прочности и снижается пластичность. Углерод в меньшей степени влияет на свойства а-твердого раствора, что объясняется меньшими силами связи углерода с дислокациями по сравнению с атомами кислорода и азота [6, 81].

Водород незначительно влияет на периоды решетки а-фазы вследствие малой растворимости водорода в ^а. Важно отметить, что водород снижает деформируемость титана вследствие образования пластинчатообразных гидридов. Вредное влияние водорода при обычных испытаниях образцов из титана и его сплавов на растяжение почти незаметно. Водородная хрупкость титана проявляется по истечении некоторого времени, особенно при наличии концентраторов и продолжительно действующих нагрузках [81].

В работах [7, 34] при исследовании влиянии фазового состава титановых сплавов на склонность к водородной хрупкости. Выявлено, что в наиболее простой форме водородная хрупкость проявляется в технически чистом титане и в титановых сплавах на основе а-структуры, что связано выделением хрупкой гидридной фазы. При возрастании в сплаве в-фазы чувствительность к водородной хрупкости уменьшается. В случае превышения допустимых норм водорода хрупкость наблюдается у титановых сплавов всех типов.

В работах [39, 41] было показано, что водород резко снижает ударную вязкость технически чистого титана, хрупкое разрушение проявляется уже при содержании водорода 0,01%, тогда как заметное снижение предела прочности снижается при 0,03% водорода. Примеси кислорода и азота не меняют характера водородной хрупкости титана.

Влияние допустимых норм водорода на склонность к замедленному разрушению определяли на сплавах ОТ4 и ОТ4-1, испытания проводили по схеме Трояно. Разрушающие напряжения начинают резко снижаться при содержании водорода более 0,010% для сплава ОТ4 и более 0,005% для сплава ОТ4-1 [7, 44].

На предельно допустимые нормы водорода в сварных соединениях влияние оказывает отжиг, так для не отожженных образцов из сплавов ОТ4 и ОТ4-1 эти

нормы составляют 0,005% и 0,003%, для отожженных - 0,007% и 0,004% соответственно [35].

В работах [7, 46] также изучали влияние водорода на циклическую долговечность титановых сплавов, отмечается, что при повышении содержания водорода выносливость гладких образцов не меняется или несколько увеличивается, а выносливость образцов с надрезом уменьшается, что связано со скоростью роста трещины.

В работе [43] приводятся данные о влиянии содержания кислорода на механические свойства титана. Влияние содержания кислорода на временное сопротивление, угол загиба и ударную вязкость выполняли на образцах, вырезанных из основного металла и сварного шва. Механические свойства основного металла и сварного шва практически совпали, при увеличении содержания кислорода до 0,6% имеет место непрерывное повышение прочности и потеря пластичности. Значения ударной вязкости резко снижаются при содержании кислорода более 0,1%.

Авторы работы [44] отмечают, что сопротивление замедленному разрушению сплавов титана, содержащих А1 в качестве основного легирующего элемента, снижается тем сильнее, чем больше кислорода в титане. На образцах выполненных из сплава ВТ6 показано, что при увеличении содержания кислорода и водорода металл околошовной зоны теряет способность к внутризеренной деформации. Минимальные разрушающие напряжения снижаются с 1240.1260 МПа до 550.560 МПа.

В работе [106] исследовано влияние содержания кислорода и азота на склонность к замедленному разрушению титановых сплавов ВТ6 и ОТ4-1,. Увеличение суммарного содержания кислорода и азота от 0,23 до 0,43% приводит к резкому падению разрушающих напряжений Ор.тт. Поперечное сужение данных сплавов уменьшается при этом от 2-3% до нуля, а металл околошовной зоны полностью теряет способность к внутризеренной деформации. По-мнению авторов, усиление развития замедленного разрушения высокопрочных сплавов при увеличении содержания примесей внедрения связано с резким возрастанием

сопротивления сдвигу внутри зерен из-за блокировки дислокаций. В то же время данными авторами показано, что кислород повышает сопротивление замедленному разрушению высокопластичных сплавов, особенно с низким содержанием алюминия. Так, например, с увеличением содержания кислорода с 0,13 до 0,45% разрушающие напряжения Ср.тт сплава системы ТьЛ1-7г возрастают с 64 до 84 кгс/мм2, время до разрушения также увеличивается с 0,4 до 5 сут., а поперечное сужение уменьшается с увеличением содержания кислорода, но остается на высоком уровне. Отмечено, что при содержании кислорода в пределах 0,45% в высокопластичных сплавах не наблюдается макроскопически хрупкого межзеренного разрушения.

О влиянии примеси кислорода на циклическую долговечность сплава Т1-Л1-7г-У исследовали в работе [50]. Данный сплав имеет структуру а-твердого раствора с небольшим содержанием в-стабилизатора, отмечено, что с повышением содержания кислорода снижается циклическая долговечность образцов.

В работе [38] проводили исследование влияния кислорода на механические свойства сварных образцов выполненных из сплава ВТ5-1. Важно отметить, что испытания проводили на гладких образцах и на образцах с надрезом, нанесенным по шву. Перед испытаниями сварные образцы толщиной 2,0 мм отжигали в вакууме при температуре 750 °С, в течении 5 ч. Результаты механических испытаний приведены табл. 1.2. Видно, что ограниченное легирование сплава примесью кислорода повышает его механические свойства.

Таблица 1.2 - Влияние содержания кислорода на механические свойства сварных образцов сплава ВТ5-1

Содержание О2%, по массе Св, МПа Св.н., МПа Св.н./ Св кси, Н-м/см2 Р, кН

0,10 708 883 1,25 47,0 25,8

0,15 768 960 1,25 47,2 27,3

0,20 810 930 1,20 50,3 28,5

0,30 869 1040 1,20 38,0 29,8

Примечание: Св.н. - образцы с надрезом; Р - разрушающая нагрузка при двухосном растяжении.

В ряде работ [21, 47, 51-53] подробно изучено влияние примеси кислорода на механические свойства титана, сделан вывод, что кислород в титане при определенных соотношениях легирующих элементов повышает прочность при удовлетворительной пластичности. При содержании алюминия в пределах 2.3% кислород может быть использован как самый дешевый легирующий элемент для титановых сплавов, содержание алюминия более 3% кислород сильно снижает пластичность титана.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Шахов Сергей Викторович, 2019 год

- — У

Л НУ=11

О 100 200 300 400 500 600 700

Т0тж. >

в)

Рисунок 4.8 - Зависимость глубины выдавливания до образования трещины (Н)

от температуры отжига листовых образцов для сплава ПТ7м: а - с газонасыщенным слоем (ДНУ = 12%); б - без газонасыщенного слоя (ДНУ = 0%); в - сравнительное влияние для образцов с газонасыщенным слоем и без слоя

4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0

о

о - д - о 8 о

о л\ Ч\/=5 °/ 'о о

0 100 200 300 400 500 600 700

т °с

' отж. > ^

Н, мм

4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0

о о

о о и о ^ о \ о

Аь НУ=0 5 Уо

О 100 200 300 400 500 600 700

Т °с

' отж. > ^

а)

б)

4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0

Н, мм

"X ■■о%

\

АНУ-- =5%

О 100 200 300 400 500 600 700

Т °с

' отж. > ^

в)

Рисунок 4.9 - Зависимость глубины выдавливания до образования трещины (Н) от температуры отжига листовых образцов для сплава ВТ6ч: а - с газонасыщенным слоем (ДНУ = 5%); б - без газонасыщенного слоя (ДНУ = 0%); в - сравнительное влияние для образцов с газонасыщенным слоем и без слоя

Примерно та же зависимость выявлена и для испытаний на пластичность в условиях двухосного растяжения по Эриксену пластичных титана ВТ1-0 и сплава ПТ7М: оксидные плёнки, формирующиеся при нагреве с Тотж. > 450 °С незначительно снижают пластичность как при наличии газонасыщенного подслоя, так и без него (см. рис. 4.7-4.8).

Для высокопрочного сплава ВТ6ч характер зависимости Н = ДТотж.) несколько иной (см. рис. 4.9). Для чистого металла отжиг при 350-550 °С на 710% повышает пластичность; при наличии же газонасыщенного подслоя показатель пластичности не меняется в данном диапазоне. А начало заметного растворения кислорода в титане при Тотж. = 650 °С приводит к ухудшению указанного показателя на 10-12% для обоих вариантов: с подслоем и без него.

4.3 Влияние газонасыщенных слоев и оксидных пленок на малоцикловую усталость и ударную вязкость сварных соединений титановых сплавов

Как уже отмечалось ранее, отжиг сварных соединений воздействует на два фактора: изменение состояния поверхности (окисление и газонасыщение) и внутренние структурные изменения - распад метастабильных в- и а - фаз.

Заготовки из технического титана ВТ1-0 и сплава ПТ7м толщиной 1,2 мм, а также сплава ВТ6ч толщиной 0,8 мм перед сваркой подвергали высокотемпературному отжигу (соответственно 800 и 850 °С) и регламентированному травлению с целью частичного либо полного удаления газонасыщенного слоя.

Далее сварные швы на заготовках имитировали сквозным проплавлением на автомате АРК-2 неплавящимся электродом без присадки с местной защитой аргоном (ААрДЭС) по режиму: Усв. = 6, 75 мм/с; 1св. = 50 А.

В заключение выполняли одночасовой отжиг в воздушной атмосфере.

При изучении влияния поверхностного газонасыщения и окисления применительно к сварным соединениям в работе ставились две задачи.

Первой задачей было установить, каково сравнительное воздействие газонасыщенных слоёв на работоспособность основного металла и зоны термического влияния с в-превращённой крупнозернистой структурой, и будет ли зона сварки слабым звеном в соединении в присутствии газонасыщенных слоёв и оксидных плёнок.

Вторая задача - это установить закономерности влияния газонасыщения и различных оксидных плёнок на работоспособность собственно сварной зоны -металла зоны термического влияния. Для этого при малоцикловых испытаниях на расстоянии 1±0,1 мм от линии сплавления выполняли концентратор в виде отверстия диаметром 2,5 мм с целью гарантированного разрушения образцов по зоне термического влияния с в-превращённой крупнозернистой структурой.

4.3.1 Малоцикловая усталость сварных образцов без концентраторов

Для выполнения первой задачи был выбран сплав ВТ6ч, как наиболее прочный и склонный к охрупчиванию из изучаемых сплавов в данной работе.

Сварные образцы для испытаний на повторно-статическое растяжение выполняли без отверстий-концентраторов (см. рис. 2.1б). Максимальное напряжение цикла составляло Отах = 820 МПа. После регламентированного травления на различную глубину съёма газонасыщенного слоя образцы подвергали одночасовому воздушному отжигу при Тотж. = 350... 650 °С.

Из результатов испытаний (см. рис. 4.10) следует, что в целом работоспособность сварного соединения в основном превышает работоспособность основного металла: большая часть образцов разрушилась по основному металлу вблизи радиусной части рабочей зоны (значки со стрелками).

Целиком по сварке разрушались только образцы после пескоструйной обработки с высокой микротвёрдостью поверхности (ДН > 100%). При невысоких перепадах микротвёрдости (ДНУ < 15%) разрушение происходило преимущественно по основному металлу. Наибольшая циклическая

долговечность сварных образцов соответствовала травлению ~ на 70 мкм (ДНУ =5% - как и при испытаниях образцов из основного металла - см. раздел 3.1)

а)

б)

в)

г)

Рисунок 4.13 - Зависимость малоцикловой усталости N = ДТотж.) для сварных соединений сплава ВТ6ч без концентраторов после травления на различную глубину и часового отжига при температуре, °С: а- без отжига; б - 350 °С, в - 550

°С, г - 650 °С

4.3.2 Малоцикловая усталость и ударная вязкость ЗТВ сварных соединений с

концентраторами

При решении второй задачи в образцах после сварки из заготовок вырезали образцы для испытаний на малоцикловую усталость (рис. 2.1в) и на ударную вязкость (КСи) согласно ГОСТ 6996-66 (рис. 2.2 б-в). При испытаниях на малоцикловую усталость на расстоянии 1±0,1 мм от линии сплавления выполняли концентратор в виде отверстия диаметром 2,5 мм с целью гарантированного разрушения образцов по зоне термического влияния. После воздушного отжига часть образцов, подвергалась травлению на глубину 10 мкм, а часть образцов имела окисленную поверхность.

Сравнивая результаты образцов с нетравленной и травленой поверхностью, оценивали влияние оксидных плёнок на изучаемые характеристики.

На образцах для испытаний на КСи центр надреза 02 мм располагали на расстоянии 1±0,1 мм от линии сплавления, а также по центру шва. В заключение образцы подвергали одночасовому воздушному отжигу в интервале температур 350-650 °С.

Для всех изучаемых сплавов использовали 2 типа образцов: с полностью стравленным газонасыщенным слоем и с частично сохранённым (оптимальным для основного металла) газонасыщенным слоем.

Испытания на малоцикловую усталость проводили по методике, приведенной в параграфе 3.1 при максимальном напряжении цикла для технического титана при нагрузке Отах = 290 МПа, для сплавов ПТ7М Отах = 450 МПа и ВТ6ч Отах = 650 МПа. Результаты испытаний образцов представлены на рис. 4.10-4.15.

25

20

15

10

АНУ= 19% о

с он, о сидно1 й плен кой

о о -- о о о

8 § о о N о О \ о \о о \ о Л

\ 8

30

25

20

15

10

•

• • ---- •

• • • • \ •

1 АН • !\/=19 « | • I • ^ •

б юз оке I I идной I плёнк и • •

0 100 200 300 400 500 600 700

т °с

' отж. > ^

О 100 200 300 400 500 600 700

Т °с

' отж. >

а)

б)

30

25

20

15

10

N■10 , цикл

АЬ М=19 % I 5ез пл> ёнки

-- ■ — Ч

с г> плёнк

\

О 100 200 300 400 500 600 700

Т °с

' отж. > ^

в)

Рисунок 4.10 - Зависимость N = А(Тотж.) для сварных соединений технического титана ВТ1-0 с газонасыщенным подслоем ДНУ = 19%: а - без последующего травления; б - с облагораживающим травлением после финишного отжига на глубину 10 мкм; в - сравнительное влияние для образцов без травления и с

травлением

25

20

15

10

с o^ НУ=0 < 1 (сидно Уо й плен 'кой о

8 о -- Л

\ о

Л о 8

30

25

20

15

10

б ЛИУ >ез оке =0% иднои плёнк и •

г • - — • • 1 •

• • • • • • ф \

9 • •

0 100 200 300 400 500 600 700

т °с

' отж. > ^

О 100 200 300 400 500 600 700

Т °с

' отж. >

а)

б)

30

25

20

15

10

N■10 , цикл

НУ=0 ( Уо С ПЛ( ш энкой

- = ; А без т 7 ёнки

\\ \

О 100 200 300 400 500 600 700

Т °с

' отж. > ^

в)

Рисунок 4.11 - Зависимость N = А(Тотж.) сварных соединений технического титана ВТ1-0 без газонасыщенного подслоя ДНУ = 0%: а - без последующего травления; б - с облагораживающим травлением после финишного отжига на глубину 10 мкм; в - сравнительное влияние для образцов без травления и с травлением

11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

А ЧУ =12 I | %

о С 0 >ксидн<. I I эй плё1 И кой

о р

о к о

о о о

о о <9

100 200 300 400 500 600 700

т °с

' отж. > ^

а)

11 ю

9 8 7 6 5 4 3 2 1

N■10 , цикл

11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

• •

Л •

• • • !

• • /

•

• • • ♦

АН !У=12 1 % •

6( эз ока Jднoй1 плёнке /

100 200 300 400 500 600 700

Т °с

' отж. >

б)

**без 1 плёнки !

\

/ /

\

АНУ= 12% с плё 1 нкой N

100 200 300 400 500 600 700

Т °с

' отж. > ^

в)

Рисунок 4.12 - Зависимость N = А(Тотж.) сварных соединений сплава ПТ7м с газонасыщенным подслоем ДНУ = 12%: а - без последующего травления; б - с облагораживающим травлением после финишного отжига на глубину 10 мкм; в -сравнительное влияние для образцов без травления и с травлением

11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

НУ=0 ' %

С ( 1 1 оксидной плёнкой

о п о о О

- — --о--- ж

о о о

о о

100 200 300 400 500 600 700

т °с

' отж. > ^

а)

11 ю

9 8 7 6 5 4 3 2 1

N■10 , цикл

11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

• •

• / •

• • л

• • • • •

• • • V

ЛИ !\/=0 °Л 1 1

бе. з оксис 1 Зной п. 1 пёнки

100 200 300 400 500 600 700

Т °с

' отж. >

б)

без пл ёнки

\

- — 1 \__

с плë¡ Г V нкой

100 200 300 400 500 600 700

Т °с

' отж. > ^

в)

Рисунок 4.13 - Зависимость N = А(Тотж.) сварных соединений сплава ПТ7м без газонасыщенного подслоя ДНУ = 0%: а - без последующего травления; б - с облагораживающим травлением после финишного отжига на глубину 10 мкм; в -сравнительное влияние для образцов без травления и с травлением

АНУ=5 %

без о/ <сидно й плёи 1ки

о о о

8_ . - — А о

о о о \ о

\ 8 ч. О о"— о

о о

•

• • 1

• • •

• • 9 —^

• • • • • •

А\ ЧУ=5°у £

1 С ОКСШ 3ной п. пёнкоС У

100 200 300 400 500 600 700

Тотж. >

100 200 300 400 500 600 700

Тотж. >

а)

б)

N■10 , цикл

АНУ=5 %

■ ^ ^без 1плённ :и

■ -

С плёнке

100 200 300 400 500 600 700

Т0тж. >

в)

Рисунок 4.14 - Зависимость N = А(Тотж.) сварных соединений сплава ВТ6ч газонасыщенным подслоем ДНУ = 5%: а - без последующего травления; б - с облагораживающим травлением после финишного отжига на глубину 10 мкм; в -сравнительное влияние для образцов без травления и с травлением

АНУ=0 %

с ока 1 1 1дной г 1лёнко й

о

8 п -__ — о

\ О о о

§ —ТГ 8 "8 о

О 100 200 300 400 500 600 700

Тотж. >

а)

N■10 , цикл

• •

• • •

• • •

• 1 • • V

• • *

АНУ-- =0% •

без < эксидн ой плё )нки

100 200 300 400 500 600 700

Тотж. >

б)

А\ Н\/=0 'о /^р-Э Г7/ 1ёнки■

/ у—- х

= ■ ■—. \ \

с / - плёнке ■)й

О 100 200 300 400 500 600 700

Т0тж. >

в)

Рисунок 4.15 - Зависимость N = А(Тотж.) сварных соединений сплава ВТ6ч без газонасыщенного подслоя ДНУ = 0%: а - без последующего травления; б - с облагораживающим травлением после финишного отжига на глубину 10 мкм; в -сравнительное влияние для образцов без травления и с травлением

Из полученных результатов прослеживаются следующие закономерности:

а. малоцикловая усталость металла ЗТВ всех сплавов заметно возрастает при удалении поверхностной оксидной плёнки, формирующейся в процессе воздушного отжига.

б. наличие оптимального газонасыщенного слоя при отсутствии поверхностных оксидных плёнок значительно увеличивает малоцикловую усталость малопрочных пластичных сплавов ВТ1-0 и ПТ7М и практически не оказывает влияния для высокопрочного сплава ВТ6ч.

Результаты испытаний образцов на ударную вязкость с надрезом на расстоянии 1 мм от линии сплавления представлены на рис. 4.16-4.18.

а)

б)

Рисунок 4.16 - Зависимость КСи=:Т(Тотж.) для сварных соединений технического титана ВТ1-0 при перепаде микротвердости ДНУ, %: а - 19%; б - 0%

210 190 170 150 130 110 90 70 50

О

ль N=12 % О

Г V

о о J / \

о "X У и 8

ч п о

8 о О

100 200 300 400 500 600 700

т °с

отж. >

а) б)

Рисунок 4.17 - Зависимость КСи=^Тотж.) для сварных соединений сплава ПТ7м при перепаде микротвердости ДНУ, %: а - 12%; б - 0%

170 150 130 110 90 70 50

КСи, Дж/см'

о

А Н\/=5 ! % о о /

о о о о о о о /

- о о 4 8 о о о

о о о

о

0 100 200 300 400 500 600 700

Т °с

отж. '

а)

170 150 130 110 90 70 50

КСи, Дж/см'

л 1 НУ=0' 1 % 8 о /

о о о о /

о . о о о /

8 о о о о о

О"-"" о 8

0 100 200 300 400 500 600 700

Т °с

отж. '

б)

Рисунок 4.18 - Зависимость КСи=^Тотж.) для сварных соединений сплава Вт6ч при перепаде микротвердости ДНУ, %: а - 5%; б - 0%

Вначале оценивали влияние газонасыщенного подслоя на ударную вязкость металла ЗТВ.

При сопоставлении хода зависимостей КСи = Г (Тотж.) для образцов, имеющих регламентированный газонасыщенный слой и без слоя (см. рис. 4.164.18) видно, что для пластичных сплавов ВТ1-0 и ПТ7М наличие подслоя сказывается положительно: ударная вязкость возрастает на 10-25% практически во всём диапазоне температур отжига.

Для высокопрочного ВТ6ч наличие газонасыщенного слоя мало сказывается на ударной вязкости при Тотж. < 550 °С. Лишь при достижении Тотж. = 650 °С, когда начинается заметное растворение кислорода в титан, ударная вязкость понижается ~ на 15% в сравнении с вариантом без слоя.

Далее стояла задача оценить влияние оксидных плёнок, формирующихся при отжиге, на показатели КСи зоны термовлияния титановых сварных образцов.

Для этого сравнивали полученные результаты на рис. 4.16(б) и 4.17(б) с результатами испытаний аналогичных сварных соединений, полученных в работе [86], образцы перед испытаниями проходили облагораживающее травление на глубину 50 мкм (для исключения влияния фактора окисления поверхности).

Из сравнения хода кривых на рис. 4.16(б) и 4.18, а также на рис. 4.17(б) и 4.19 видно, что ход зависимостей КСи = ^Тотж.) в целом остаётся одинаковым и определяется влиянием факторов внутренних структурных изменений при отжиге.