Влияние легирования водородом и пластической деформации на структуру и свойства сплавов Ti-6Al и Ti-6Al-4V тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.01, кандидат технических наук Щугорев, Юрий Юрьевич

• Щугорев, Юрий Юрьевич
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Щугорев, Юрий Юрьевич

Введение.

Глава I. Состояние вопроса и постановка задач исследовании.

1.1. Общая характеристика титановых сплавов.

1.2. Деформационные способы измельчения структуры титановых сплавов.

1.3. Термоводородная обработка титановых сплавов.

1.3.1. Влияние водорода на фазовые равновесия в титановых сплавах.

1.3.2. Влияние водорода на напряжения течения титана и титановых сплавов.

1.3.3. Фазовые и структурные превращения в наводороженных титановых сплавах при их дегазации.

1.4. Комплексная водородная технология производства деформируемых полуфабрикатов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние легирования водородом и пластической деформации на структуру и свойства сплавов Ti-6Al и Ti-6Al-4V»

Высокие удельные прочностные характеристики и коррозионная стойкость титановых сплавов определяют их широкое применение в различных отраслях промышленности. Развитие современных отраслей машиностроения предъявляет все более возрастающие требования к качеству конструкционных материалов. В связи с этим одной из главных задач металловедения является разработка новых методов упрочняющей обработки промышленных сплавов. В последние годы интенсивно разрабатываются различные способы деформационной обработки, основанные на применении больших пластических деформаций при пониженных температурах. В ходе такой обработки происходит измельчение микроструктуры металлов и сплавов до размеров зерен менее 1 мкм. Формирование ультрамелкозернистой (УМЗ) структуры приводит к значительному повышению прочности при нормальной температуре, и, что особенно важно для последующего изготовления изделий, к повышению технологической пластичности при температурах, пониженных по сравнению с обычными режимами обработки.

В работах научной школы академика РАН Ильина А.А. установлены основополагающие принципы влияния механизма фазовых превращений в титановых сплавах на формирование фазового состава и структуры при воздействии различных технологических факторов. В последнее время интенсивное развитие получило новое направление обработки титановых сплавов водородная технология, основанная на сочетании обратимого легирования водородом с термическим и термомеханическим воздействием [1]. Водородная технология титановых сплавов основана на обратимом легировании титановых сплавов водородом и состоит в наводороживании металла до заданных концентраций, проведении технологических операций с использованием благоприятных эффектов, обусловленных водородом, и, при необходимости, вакуумном отжиге для снижения содержания водорода в деталях и конструкциях до безопасного уровня, при котором не развивается водородная хрупкость в процессе их эксплуатации. Ввиду необычно высокой диффузионной подвижности водород является единственным легирующим элементом, позволяющим осуществить эффективное обратимое легирование.

В проведенных ранее исследованиях было показано, что при рациональном выборе легирования и режимов термической обработки расширяются возможности управления процессами выделения и распада водородосодержащих фаз, а, следовательно, получения регламентированной микроструктуры титановых сплавов. За счет этого можно существенно повысить их пластичность, и на 100-200°С снизить температуру горячей деформации, не повышая деформирующие усилия. Поэтому, есть основания полагать, что применение водородной технологии может оказаться эффективным для получения УМЗ структуры в сплавах титана методами пластической деформации в сочетании с обратимым легированием водородом.

Поэтому установление закономерностей влияния водорода на эволюцию структуры в процессе деформации титановых сплавов и последующего обезводороживающего отжига в вакууме является актуальной. Работа выполнена в рамках научной школы, руководимой академиком РАН Ильиным А.А.

Научная новизна.

1. Показано, что в процессе наводороживающего отжига сплавов Ti-6A1 и Ti-6A1-4V с увеличением концентрации водорода и стабилизации (3-фазы первичная о^-фаза обогащается алюминием и при концентрациях водорода 0,5ч-0,9% в решетке первичной а1 -фазы происходит упорядочение по типу ТлзА1 с образованием (а+аг) структурной составляющей.

2. Установлено, что находящийся в а- и (3-твердом растворе водород вызывает твердорастворное упрочнение а- и (3- фаз и тем самым повышает сопротивление деформации сплавов в однофазном состоянии.

3. Установлено, что сопротивление пластической деформации водородосодержащих сплавов Ti-6A1 и Ti-6A1-4V в верхней части двухфазной а+Р" области понижается с увеличением количества фазы и дроблением пластин а- фазы, вследствие протекания а-»р~ превращения в процессе наводороживания.

4. Показано, что сформированная в процессе вакуумного отжига при 700°С в водородосодержащих катаных полосах из сплавов Ti-6A1 и Ti-6A1-4V структура, содержащая а-зерна размером около 3 мкм (Ti-6A1) и частицы а-фазы размером меньше 1 мкм (Ti-6A1-4V), обеспечивает повышение прочностных характеристик на 10-25% при сохранении удовлетворительной пластичности.

Практическая значимость работы.

1. Получены экспериментальные данные о влиянии водорода, температуры испытаний и скорости деформации на пластичность и сопротивление деформации а- сплава Ti-6A1 и а+Р- сплава Ti-6A1-4V, установлены интервалы температур и концентраций водорода (0,3-0,5% для сплава Ti-6A1 и 0,2-0,3% для сплава Ti-6A1-4V), обеспечивающие максимальное снижение деформирующих усилий. Установлены температурно-концентрационные интервалы недопустимой, ограниченной и высокой пластичности сплавов.

2. Разработаны режимы прокатки и вакуумного отжига заготовок из сплавов Ti-6A1 и Ti-6A1-4V, легированных водородом, позволяющие получать субмикрокристаллическую структуру с размером зерна а- фазы 0,60,9 мкм и повышенными свойствами при нормальной температуре. Разработанные режимы прокатки и вакуумного отжига листовых заготовок из сплава Ti-6A1-4V были использованы Фондом «МиТОМ» при создании водородной технологии производства листов с субмикрокристаллической структурой из этого сплава.

Заключение диссертации по теме «Металловедение и термическая обработка металлов», Щугорев, Юрий Юрьевич

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Исследовано влияние водорода на формирование фазового состава и структуры сплавов Ti-6Al и Ti-6A1-4V. Показано, что в процессе изотермической выдержки и последующего охлаждения с температуры наводороживающего отжига стабилизированная водородом (3- фаза, претерпевает в процессе охлаждения эвтектоидное (3->а+5 превращение, а первичная а1- фаза обогащается алюминием так, что при содержании водорода 0,5-0,9% происходит её частичное упорядочение с образованием а,2- фазы.

2. По результатам испытаний на сжатие сплавов TI-6A1 и Ti-6A1-4V, легированных водородом, в интервале температур 400°-1050°С определены температурно-концентрационные интервалы, обеспечивающие максимальное снижение деформирующих усилий и установлены основные факторы, определяющие в процессе пластической деформации упрочнение и разупрочнение а- и (3- фаз. Установлены температурно-концентрационные интервалы недопустимо низкой, ограниченной и высокой пластичности сплавов.

3. Установлено, что фазовый состав и морфология структурных составляющих катаных заготовок а- сплава Ti-6Al определяются начальной концентрацией водорода в заготовках и температурой вакуумного отжига. Показано, что в процессе наводороживающего отжига с повышением концентрации водорода первичная а1- фаза обогащается алюминием вплоть до образования а2-фазы, а при последующем вакуумном отжиге при 600°С происходит образование обедненной алюминием дегазированной адег- фазы и измельчение структурных составляющих. С повышением температуры вакуумного отжига до 700°С происходит выравнивание содержания алюминия по объему а-фазы и некоторое укрупнение а-зерна.

4. Проведено сравнение закономерностей формирования фазового состава и структуры в однофазном а- сплаве Ti-6A1 и двухфазном а+Р-сплаве Ti-6A1-4V при идентичных режимах обработки. Показано, что в структуре листов, полученных прокаткой водородосодержащих заготовок из сплава Ti

6A1-4V при температуре 700°С и вакуумным отжигом при 600°С, происходит менее интенсивное обогащение первичной а!-фазы алюминием. При этом наблюдается увеличение концентрации водорода, необходимой для образования оь-фазы с 0,5% для сплава Ti-6A1 до 0,7% для сплава Ti-6A1-4V.

5. Показано, что в а-сплаве Ti-6A1 уровень прочностных и пластических характеристик при нормальной температуре определяется структурным упрочнением, т.е. размером а- зерна, а образование гетерофазной структуры с выделением а2-фазы несмотря на дальнейшее измельчение структуры приводит к снижению прочности вследствие обеднения а- матрицы алюминием. В а+Р- сплаве Ti-6A1-4V наблюдается аналогичная зависимость, однако наличие в структуре стабилизированной ванадием более прочной Р-фазы обусловливает более высокие значения прочности по сравнению со сплавом Ti-6A1 без снижения пластичности.

6. Исследовано влияние размера а- зерна на механические свойства катаных прутков из сплава Ti-6A1 при температурах 20°-750°С.Установленно, что в интервале температур 20°-550°С наблюдается зависимость: чем меньше размер зерна, тем выше значения предела прочности, а при температурах испытаний 600°-750°С, т.е. вблизи температуры начала рекристаллизации а-фазы, зависимость меняется, и предел прочности уменьшается с уменьшением величины зерна.

7. Разработанные научные положения и практические рекомендации использованы Фондом МиТОМ при создании новой водородной технологии производства листов с субмикрокристаллической структурой из сплава ВТ6 (Ti-6A1-4V).

1.5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО ЛИТЕРАТУРНОМУ ОБЗОРУ, ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

Титан и его сплавы давно стали одними из основных конструкционных материалов для высокотехнологичных отраслей промышленности, таких как авиация, космонавтика, судостроение и т.д. Во многом это произошло благодаря их высоким удельным характеристикам и, прежде всего, удельной прочности, высокой коррозионной прочности и жаропрочности. Титановые сплавы относятся к труднодеформируемым материалам и обладают недостаточной технологической пластичностью. К настоящему времени заложены основы металловедения, металлургических и машиностроительных производства полуфабрикатов и изделий из титановых сплавов. Традиционные способы деформированных полуфабрикатов уже не отвечают требованиям времени как по технико-экономическим показателям производства и в большинстве случаев по уровню эксплуатационных свойств готовых изделий.

В последние годы разрабатываются различные способы деформационной обработки, основанные на применение больших пластических деформаций при пониженных температурах, позволяющие получить субмикрокристаллическую и нанокристаллическую структуры. Между тем необходимость проведения обработки при пониженных температурах неизбежно приводит к росту деформирующих усилий, снижению пластичности, многопереходности, усложнению технологической оснастки, снижению номенклатуры получаемых полуфабрикатов.

С 70-х годов прошлого столетия в России и за рубежом ведутся разработки водородной технологии титановых сплавов. Легирование титановых сплавов водородом сопровождается существенным изменением объемного соотношения и химического состава фаз, измельчением структурных составляющих. Однако до некоторого времени использование водородной технологии были направлены, прежде всего, на формирование необходимых форм и размеров полуфабрикатов. Вопросам структурообразования и влияния структуры и фазового состава на технологические свойства и формированию регламентированной структуры для повышения комплекса эксплуатационных свойств уделялось значительно меньше внимания.

Поэтому цель данной работы состояла в установлении закономерностей влияния дополнительного легирования водородом на формирование фазового состава и структуры сплавов Ti-6A1 и Ti-6A1-4V в процессе пластической деформации и последующего вакуумного отжига и определении на этой основе оптимальных температурно-концентрационных условий обработки, обеспечивающих получение из них катаных полуфабрикатов с заданной структурой и повышенным уровнем механических свойств при нормальной температуре.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- изучить влияние дополнительного легирования водородом на формирование фазового состава и структуры сплавов Ti-6A1 и Ti-6A1-4V;

- установить закономерности влияния температуры испытаний и скорости деформации на пластичность и сопротивление деформации водородосодержащих сплавов Ti-6A1 и Ti-6A1-4V при испытаниях, на сжатие в а-, а+Р- и Р- области;

- определить оптимальные значения температур и концентраций водорода, обеспечивающих получение катаных заготовок из сплавов Ti-6A1 и Ti-6A1-4V;

- исследовать закономерности формирования фазового состава и структуры водородосодержащих заготовок сплавов Ti-6A1 и Ti-6A1-4V при последующем вакуумном отжиге; оценить влияние размера структурных составляющих на механические свойства полученных прокаткой заготовок из сплавов Ti-6A1 и Ti-6A1-4V, дополнительно легированных водородом и подвергнутых вакуумному отжигу при температурах 600° и 700°С.

ГЛАВАII. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ В настоящей работе в качестве объектов исследования были выбраны а-титановый сплавы Ti-6A1 и а+|3-титановый сплав Ti-6A1-4V. Исследования проводили на образцах, вырезанных из прутков и листовых полуфабрикатов, химический состав которых приведен в таблице 2.1.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Щугорев, Юрий Юрьевич, 2008 год

1. Водородная технология титановых сплавов./А.А.Ильин, Б.А. Колачев, В.К. Носов, A.M. Мамонов/-м.: МИСиС, 2002. 392 с.

2. Ильин А.А. Механизм и кинетика фазовых и структурных превращений в титановых сплавах. — М.: Наука, 1994. 304 с.

3. Ильин А.А., Скворцова С.В., Мамонов A.M., колеров М.Ю. Фазовые и структурные превращения в титановых сплавах разных классов под действием водорода // Титан. 2007, № 1, с. 32-37.

4. Колачев Б.А., Елагин В.И., Ливанов В.А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов: Учебник для вузов. 4-е изд., перераб и доп. - М.: МИСиС, 2005. - 432 с.

5. Металлография титановых сплавов/Кол. авторов. Под общ. ред. д.т.н., проф. С.Г. Глазунова, д.т.н., проф. Б.А. Колачева. М.: Металлургия, 1980.-464 с.

6. R.Z. Valiev, R.K. Islamgaliev, I.V. Alexandrov, Bulk nanostructured materials from severe plastic deformation//Prog. Mater. Sci. 45 (2000) 103189.

7. Жеребцов СВ., Галеев P.M., Валиахметов O.P., Малышева СП., Салищев Г.А., Мышляев М.М. Формирование субмикрокристаллической структуры в титановых сплавах интенсивной пластической деформацией и их механические свойства// КШП. 1999. №7. с. 17-22.

8. Рыбин В.В. Большие пластические деформации разрушение металлов. -М.: Металлургия, 1986.-224 с.

9. V.K. Aleksandrov, N.F. Anoshlcin, G.A. Bochvar et al.: Semi-products of titanium alloys, (Metallurgy, Moscow, 1979) p.512.

10. S. Zherebtsov, A. Mazur, G. Salishchev, V. Lojkowski, Effect of Warm Hydrostatic Extrusion on the Structure and Properties of Ti-6AI-4V Alloy // Mater. Sci. Eng., submitted.

11. V.V. Segal, Processes of Metal Working by Severe Plastic Deformation // Metals, №5, (2006) 130-141 (in Russian).

12. G. J. Raab, R. Z. Valiev, Т. С Lowe and Y. T. Zhu, Continuous processing of ultrafine grained Al by ECAP-Conform // Mater. Sci. Eng. A, 382, (2004) 30-34.

13. Малышева СП., Салищев Г.А., Якушина Е.Б. Влияние холодной прокатки на структуру и механические свойства листов из технического титана // Металловедение и термическая обработка металлов, 2007 (в печати).

14. Stolyarov V. V., Zhu Y.T, Lowe T.C, Valiev R.Z. Microstructure and properties of pure Ti processed by ECAP and cold extrusion // Materials Science and Engineering A303, 2001, P. 2-89.

15. S. Zherebtsov, G. Salishchev, R. Galeyev, K. Maekawa, M. Futakawa. Mechanical Properties of Submicrocrystalline Ti-6AI-4V Titanium Alloy Produced by Severe Plastic Deformation // J. Soc. Experiment. Mech. Jpn. Vol. 5, №3, 2005, pp.286-290.

16. Колачев Б.А., Ильин A.A., Лавренко B.A., Левинский В.В. Гидридные системы. — М.: Металлургия, 1992. 352 с.

17. Б.А. Колачев, В.В. Садков, В.Д. Талалаев, А.В. Фишгойт. Факуумный отжиг титановых конструкций. — М.: Машиностроение, 1991. — 224 с.

18. Ильин А. А., Мамонов A.M. Температурно-концентрационные диаграммы фазового состава водосодержащих многокомпонентных сплавов на основе титана // Металлы (РАН), 1994, № 5, с. 71-78.

19. А.А.Ильин, Б.А. Колачев, О термоводородной обработке титановых сплавов // Термическая, химико-термическая и лазерная обработка сталей и титановых сплавов: Сб.науч.тр./ППИ.-Пермь, 1989, с97-101.

20. Носов В.К., Колачев Б.А. Водородное пластифицирование при горячей деформации титановых сплавов. М: Металлургия, 1986. 118 с.

21. Аксенов Ю.А., Башкин И.О., Колмогоров В.Л. и др. Влияние водорода на пластичность и сопротивление деформации технического титана // ФММ, 1987, т. 67, № 5, с. 993-999.

22. Senkov O.N., Jonas J.J. Solute softening of alpha titanium-hydrogen alloys // Advances in the Sci. and Technol of Titanium Alloys Processing. Anaheim, California, 1996, TMS, 1997, p. 109-115.

23. Senkov O.N., Jonas J.J. Solute strengthening in beta titanium-hydrogen alloys // Advances in the Science and Technology of Titanium Alloys Processing. Anaheim, California, 1996, TMS, 1997, p. 117-124.

24. Носов B.K., Белова С.Б., Чесноков И.Н. Пластичность и сопротивление деформации титанового сплава ВТ5-1, легированных водородом // Металлы (РАН), 1995, №6, с.76-82.

25. Башкин И.О., Малышев В.Ю., Анисимов Ю.А. и др. Влияние водорода на пластичность и сопротивление деформации титанового сплава ВТ6 при температурах до 930°С // ФММ, 1990, № 5, с. 168-174.

26. Анисимов Л.И., Аксенов Ю.А., Бадаева М.Г. и др. Обратимое легирование водородом и деформация титанового сплава ВТ6 // МиТОМ, 1992, № 2, с. 43-45.

27. Механизм и кинетика фазовых и структурных превращений в титановых сплавах. М.: Наука, 1994. - 304 с.

28. Мамонов A.M., Ильин А.А. Фазовые и структурные превращения в водосодержащих жаропрочных титановых сплавах при дегазации // Металлы (РАН), 1994, № 5, с. 104-108.

29. Колачев Б.А., Елагин В.И., Ливанов В.А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. М,: МИСиС, 1999.-416 с.

30. Металловедение титана и его сплавов / С.П. Белов, М.Я.Брун, С.Г. Глазунов и др. Под ред. С.Г. Глазунова и Б.А. Колачева. М.: Металлургия, 1992. - 352 с.

31. Скворцова С.В., Ильин А.А., Гуртовая Г.В., Лукина Е.А., Поляков О.А. Фазовые и структурные превращения, происходящие в титановом сплаве ВТ20Л под действием водорода // Металлы, 2005, № 2, с. 45-53.

32. Колачев Б.А., Носов В.К., Ливанов В.А. и др. Влияние водорода на технологическую пластичность сплава Ti9%Al // Изв. вузов. Цветная металлургия, 1972,; 3, с. 137-142.

33. Колачев Б.А., Ливанов В.А., Носов В.К. Влияние водорода на деформируемость титановых сплавов разного фазового состава // Титан. Металловедение и технология: Тр. III-й Межд. конф. по итану. М.: ВИЛС, 1976, т.З, с. 61-68.

34. Ильин А.А. Фазовые и структурные превращения в титановых сплавах, легированных водородом // Изв. вузов. Цветная металлургия, 1987, № 1, с. 96-101.

35. Kerr W.R., Smith М.Е., Rosenblum F.G. e.a. Hydrogen as an Alloying Element in Titanium (Hydrovac) // Titanium 80: Science and Technol., Proc. 4th Intern. Conf. on Titanium, 1980, Kyoto, p/2477-2486.

36. Ильин А.А., Мамонов A.M., Колеров М.Ю. Научные основы и принципы построения технологических процессов термоводородной обработки титановых сплавов // Металлы (РАН), 1994, № 4,с. 157-168.

37. Колачев Б.А., Ильин А.А., Мамонов A.M. Термоводородная обработка титановых сплавов // Металловедение и обработка титановых и жаропрочных сплавов: Сб. науч. тр. — М.: ВИЛМ, 1991, с. 132-142.

38. Mamonov A.M., Ilyin А.А., Budrik B.B. The thermohydrogen treatment of high temperature titanium alloys with intermetallic strengthening // Proc. 2nd Pacific Rim Intern. Conf. on Advanced Materials and Processing. Korea, 1995, p. 2427-2432.

39. Мамонов A.M., Кусакина Ю.Н., Ильин A.A. Закономерности формирования фазового состава и структуры в жаропрочном титановом сплаве с интерметаллидным упрочнением при легировании водородом // Металлы (РАН), 1999, № 3, с. 84-87.

40. Мамонов С.А. Влияние термоводородной обработки на структуру, текстуру и механические свойства изделий из жаропрочного титанового сплава ВТ18У // Металлы (РАН), 1995, № 6, с. 106-112.

41. Мурзинова М.А., Салищев Г.А., Мазурский М.И., Афоничев Д.Д. Влияние водородного легирования на закономерности изменения структуры титана при деформации // Сб. информационных материалов 2-ой Межд. конф. «ВОМ-98», Донецк, 1998, с. 95.

42. М.И. Мазурский, М.А. Мурзинова, Г.А. Салищев, Д.Д. Афоничев. Использование водородного легирования для формирования субмикрокристаллической структуры в двухфазных титановых сплавах // Металлы, 1995, № 6, с. 83-88.

43. Назимов О.П., Буханова А.А. Спектральное определение водорода в металлах // журнал прикладной спектроскопии, Минск, 1997, т. 27, вып. 6, с. 969-973.

44. Методическая рекомендация. Качественный и количественный рентгеновский анализ фазового состава титановых сплавов. ВИЛС, MP 18-36/СМИ-75, 1975, 39 с.

45. Методическая рекомендация. Измерение параметров решетки титановых сплавов. ВИЛС, MP 30-26-70, 1970, 19 с.

46. Прямое электронно-микроскопическое исследование двухфазных титановых сплавов. Методическая рекомендация. М., ВИЛС, MP 47-2685, 1986. 50 с.

47. Буханова А.А., Колачев Б.А. О диаграмме состояния системы титан-алюминий-водород в интервале температур 500-800С // фазовые равновесия в металлических сплавах: Сб.науч.тр.-М., 19811. УТВЕРЖДисполнительный директор к.т.н. Мамаев B.C.1. АКТ ВНЕДРЕНИЯ

48. Заместитель исполнительного директора1. Минаева Л.П.