CC BY
105
УДК 669.295
Н.А. Ночовная1, П.В. Панин1
ФОРМИРОВАНИЕ ФАЗОВОГО СОСТАВА И СТРУКТУРЫ В ТИТАНОВЫХ СПЛАВАХ ВТ5, ВТ20 И ВТ6 ПРИ ТЕРМОВОДОРОДНОЙ ОБРАБОТКЕ И ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ
DOI: 10.18577/2307-6046-2017-0-9-1-1
Рассмотрен комплексный подход к преобразованию структуры и свойств полуфабрикатов из титановых сплавов путем совмещения термоводородной обработки с пластической деформацией. Показано, что в листовых полуфабрикатах толщиной 2 мм из сплавов марок ВТ5, ВТ20 и ВТ6, легированных 0,7% (по массе) водорода, с помощью термоводородной обработки и пластической деформации можно создать гетерофазную структуру, в которой а-фаза присутствует в виде двух структурных составляющих: первичной а1-фазы, обогащенной алюминием до состава а2-фазы на основе интерметал-лида Ti3Al, и вторичной адег-фазы, обедненной алюминием.
Ключевые слова: титановые сплавы, термоводородная обработка, пластическая деформация, фазовый состав, структура.
A complex approach to structure and properties transformation of titanium alloys has been in focus, the approach including thermo-hydrogen treatment and plastic deformation combination. It has been shown that thermo-hydrogen treatment together with plastic deformation allow to obtain a multiphase structure in 2 mm sheet semi-finished products of VT5 (Ti-5,8Al), VT20 (Ti-6,2Al-1,2V-1Mo-2Zr), and VT6 (Ti-5,7Al-4,3V) titanium alloys (wt.%). The obtained structure contain а-phase in two structural constituents: primary a*-phase enriched by aluminum up to Ti3Al-based a2-phase, and secondary adeg-phase depleted by aluminum.
Keywords: titanium alloys, thermo-hydrogen treatment, plastic deformation, phase composition, structure.
Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Государственный научный центр Российской Федерации [Federal State Unitary Enterprise «All-Russian Scientific Research Institute of Aviation Materials» State Research Center of the Russian Federation]; e-mail: [email protected]
Введение
Для изготовления элементов листовых конструкций авиационного назначения необходимо применение титановых сплавов средней и высокой прочности [1 -5]. Типичными представителями этих групп сплавов являются сплавы марок ВТ5, ВТ20 и ВТ6, которые часто используются для изготовления листовых полуфабрикатов [6]. Однако сплавы ВТ5 и ВТ20 относятся к термически неупрочняемым [7], т. е. для них практически отсутствует возможность изменения структуры и свойств в процессе термического воздействия. Для сплава ВТ6 хотя и существует возможность изменять структуру и свойства при помощи различных видов термической обработки, но потенциальный уровень прочности при этом реализуется не в полной мере.
С точки зрения обработки давлением для получения листовых полуфабрикатов и конечных изделий из них актуальной проблемой является создание гетерофазных ультрадисперсных структур в титановых сплавах с целью осуществления сверхпластической формовки [8]. Можно выделить два основных условия проявления эффекта сверхпластичности - это наличие протяженных межфазных границ и микро- или
субмикрокристаллический масштаб структурных составляющих. В работах [9 -11] показано, что и то и другое можно получить с помощью дополнительного легирования титановых сплавов водородом в процессе термоводородной обработки. Так, исследования в этой области позволили существенно повысить прочностные свойства и ресурс фасонных отливок из литейных сплавов ВТ5Л, ВТ6Л и ВТ20Л, увеличить термическую стабильность жаропрочных сплавов типа ВТ9, повысить прочность термически не-упрочняемых титановых сплавов ВТ5 и ВТ20, снизить температуры или усилия деформации при обработке давлением деформируемых конструкционных сплавов средней и высокой прочности (ВТ6, ВТ23 и др.) [12-24].
Однако в научно-технической литературе приводится ограниченное количество данных о влиянии водорода на формирование структуры в наводороженных титановых сплавах в процессе пластической деформации. В связи с этим в данной статье рассматривается комплексный подход к преобразованию структуры и свойств полуфабрикатов из промышленно освоенных титановых сплавов ВТ5, ВТ20 и ВТ6 путем совмещения термоводородной обработки с пластической деформацией.
Работа выполнена в рамках реализации комплексного научного направления 2.1. «Фундаментально-ориентированные исследования» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [25].
Материалы и методы
В работе исследовали влияние обратимого легирования водородом и термоводородной обработки, совмещенной с пластической деформацией, на структуру и свойства деформированных полуфабрикатов (плит и листов) из титановых сплавов ВТ5, ВТ20 и ВТ6, полученных по промышленным и опытным технологиям. Исходные слитки для проведения термомеханической обработки получали методом вакуумно-дуговой плавки по технологии, аналогичной описанной в работах [26, 27]. Химический состав исследованных полуфабрикатов сплавов ВТ5, ВТ20 и ВТ6 приведен в таблице.
Химический состав полуфабрикатов из титановых сплавов
Сплав Класс сплава Вид полуфабриката (толщина) Содержание элементов, % (по массе) Примечание
ТС Al V Mo Zr Fe
ВТ5 а Лист (2 мм) Основа 5,8 - - - 0,10 Содержание примесей в соответствии с ГОСТ 19807-91
ВТ20 Псевдо-а Лист (2 мм) Основа 6,2 1,2 1,0 2,0 0,10
ВТ6 а+р Плита (20 мм) Основа 5,7 4,2 - - 0,35
Лист (2 мм) Основа 5,7 4,3 - - 0,35
Насыщение образцов водородом проводили термодиффузионным способом в лабораторной установке Сивертса до концентраций 0,2-1,0% (по массе), с шагом 0,2% (по массе) в интервале температур 650-900°С. Принцип действия установки Сивертса основан на термическом разложении порошка гидрида титана. Газообразный молекулярный водород собирается в баллон до достижения в нем расчетного давления, определяемого исходя из требуемой конечной концентрации водорода в образцах с учетом их суммарной массы. Водород из баллона через систему трубопроводов и вакуумных клапанов поступает в вакуумированную реторту, в которой находятся образцы при заданной температуре. После поглощения заданного количества водорода (о чем свидетельствует изменение давления в системе) реторта с образцами извлекается из печи и охлаждается в потоке воздуха от вентилятора, что обеспечивает скорость охлаждения 1 К/с в интервале температур - от 800 до 400°С. Концентрацию вводимого водорода контролировали с помощью взвешивания образцов на аналитических весах, а остаточного водорода после вакуумного отжига - спектральным методом.
Обработку давлением в наводороженном состоянии осуществляли методом прокатки при температурах (а+Р)-области. Низкотемпературный вакуумный отжиг после деформации проводили в печи типа СВНЭ-1.3.1/16-ИЗ в течение 7 ч.
Фазовый состав и структуру образцов изучали методами оптической микроскопии (по ПИ 1.2.785-2009), электронной микроскопии и микродифракции, а также рент-геноструктурного анализа на стандартных металлографических шлифах.
Результаты
На первом этапе исследований изучали структурно-фазовое состояние листовых полуфабрикатов из титановых сплавов ВТ5, ВТ20 и ВТ6, полученных по промышленным технологиям.
Проведенный металлографический анализ показал, что микроструктура листа толщиной 2 мм из псевдо-а-сплава ВТ20, полученного по промышленной технологии, представлена а-матрицей с небольшим количеством Р-фазы (рис. 1, а), а лист той же толщины из сплава а-класса ВТ5 имеет рекристаллизованную а-структуру (рис. 1, б). Лист толщиной 2 мм из (а+Р)-сплава ВТ6, также полученный по промышленной технологии, имеет деформированную, частично рекристаллизованную структуру (рис. 1, в).
На следующем этапе работы проводили исследования формирования фазового состава и структуры в листовых полуфабрикатах толщиной 2 мм из сплавов ВТ5, ВТ20 и ВТ6, полученных по опытной технологии, включающей наводороживающий отжиг, прокатку в наводороженном состоянии в верхнем температурном интервале (а+Р)-области с промежуточными отжигами и заключительный низкотемпературный вакуумный отжиг, обеспечивающий удаление водорода до безопасных остаточных концентраций - не более 0,005% (по массе).
Рис. 1. Структура листов из сплавов ВТ20 (а), ВТ5 (б) и ВТ6 (в), полученных по промышленной технологии
Водород, как легирующий элемент, представляет собой мощный «инструмент», который позволяет управлять процессами структурообразования в титановых сплавах [12, 13]. Преимущество термоводородной обработки заключается в возможности введения водорода в сплав в твердофазном состоянии, т. е. без изменения номинального химического состава получать на промежуточных стадиях структурно-фазовые состояния, не свойственные сплавам в равновесных условиях, а также удалять водород из материала без расплавления, осуществляя тем самым «обратимое» легирование. При этом под обратимостью легирования понимается только возможность контролируемого введения/удаления водорода, в то время как фазовый состав и структура сплава изменяются необратимо.
Водород в титановых сплавах является сильным Р-стабилизатором, поэтому он понижает температуру полиморфного превращения (а+Р)^Р (Лез), уменьшает первую критическую скорость охлаждения и диффузионную подвижность основных легирующих элементов [12]. Это позволяет при одних и тех же условиях (температура нагрева, скорость охлаждения), изменяя только концентрацию водорода, получать в титановых сплавах целый спектр структур, который невозможно получить никакими другими технологическими способами.
Металлографический анализ плиты толщиной 20 мм из сплава ВТ6 в исходном состоянии (без дополнительного легирования водородом) показал, что плита характеризуется пластинчатой микроструктурой, достаточно хорошо проработанной на технологической стадии ее изготовления (рис. 2, а), в которой, однако, присутствуют отдельные микрообъемы с более ярко выраженной геометрической текстурой вдоль направления прокатки (рис. 2, б).
На следующем этапе работы исходную плиту из сплава ВТ6 толщиной 20 мм наводороживали при температуре 800°С до концентрации водорода 0,7% (по массе). Водород, как Р-стабилизатор, расширяет область существования Р-фазы, повышает ее стабильность и уменьшает критические скорости охлаждения. Кроме того, увеличение количества Р-фазы способствует также уменьшению степени ее легирования как Р-стабилизаторами, так и алюминием, вследствие сосредоточения его преимущественно в а-фазе. Исследования показали, что после проведения наводороживающего отжига и охлаждения до комнатной температуры с максимально возможной (для используемой лабораторной установки Сивертса) скоростью 1 К/с в плите из сплава ВТ6 формируется структура, состоящая в основном из Р-фазы и небольшого количества мартенситной фазы а" (рис. 2, в, г).
Рис. 2. Микроструктура плиты толщиной 20 мм из сплава ВТ6 в исходном состоянии (а, б) и после наводороживания до 0,7% (по массе) Н (в, г):
а, в - съемка с плоскости, перпендикулярной направлению прокатки; б, г - съемка с плоскости, параллельной направлению прокатки
После проведения наводороживающего отжига при 800°С плиту толщиной 20 мм прокатывали в наводороженном состоянии в температурном интервале (а+Р)-области (с промежуточными отжигами) до листа толщиной 2 мм с суммарной степенью обжатия 90%. В процессе деформации и охлаждения до комнатной температуры происходит выделение а-фазы, обогащенной алюминием. Таким образом, после деформации структура сплава ВТ6 (рис. 3, а, б) представлена:
- мелкодисперсными частицами а-фазы, обогащенной алюминием; в отдельных микрообъемах формируется а2-фаза на основе Т13Л1;
- деформированными зернами Р-фазы, сильно обедненной алюминием и пересыщенной водородом;
- эвтектоидной смесью (а+5), так как в процессе охлаждения после деформации происходит уменьшение количества Р-фазы, и вследствие ее пересыщения водородом она частично претерпевает эвтектоидный распад Р^-а+5(Т1Н2).
Последующий низкотемпературный вакуумный отжиг в течение 7 ч предварительно деформированных в (а+Р)-области листов из сплава ВТ6, дополнительно легированного водородом до концентрации 0,7% (по массе), приводит к формированию в полуфабрикате хорошо проработанной мелкодисперсной структуры (рис. 3, в, г).
Рис. 3. Микроструктура листа толщиной 2 мм из сплава ВТ6 в наводороженном состоянии до концентрации 0,7% (по массе) (а, б) и после низкотемпературного вакуумного отжига (в, г):
а, в - съемка с плоскости, перпендикулярной направлению прокатки; б, г - съемка с плоскости, параллельной направлению прокатки
Водород, являясь Р-стабилизатором, имеет высокую растворимость в Р-фазе и практически не растворяется в а-фазе. Под действием водорода происходит не только увеличение количества Р-фазы, но и перераспределение основных легирующих элементов: а-фаза обогащается алюминием, а Р-фаза - ванадием. При пластической деформации в водородсодержащей Р-фазе появляется большое количество новых дефектов кристаллического строения, в основном линейного характера (дислокации), которые при дегазации являются предпочтительными центрами зарождения частиц а-фазы. Вследствие низкой диффузионной подвижности атомов основных легирующих элементов при вакуумном отжиге процессы зарождения частиц преобладают над процессами их роста, так как зарождение всегда происходит по сдвиговому механизму и не зависит от диффузионных процессов [28].
Низкотемпературный вакуумный отжиг приводит к выделению в Р-фазе, которая обеднена алюминием, также обедненной алюминием адег-фазы, поэтому при рентгено-структурном анализе на дифрактограммах отчетливо видны дифракционные максимумы, полученные от двух а-фаз - обогащенной и обедненной алюминием. Кроме того, после вакуумного отжига на дифрактограммах остаются и сверхструктурные рефлексы (10.1) и (11.0), свидетельствующие о присутствии а2-фазы (рис. 4, а).
Аналогичные результаты получены и для сплавов ВТ5 и ВТ20. Показано, что увеличение в сплавах ВТ5 и ВТ20 количества водорода с 0,3 до 0,7% (по массе) приводит к формированию гетерофазной структуры и уменьшению размера структурных составляющих а-фазы после деформации и вакуумного отжига - с 1-2 мкм до 300-500 нм. С помощью рентгеноструктурного анализа показано, что в образцах толщиной 2 мм из листовых полуфабрикатов а-сплава ВТ5 и псевдо-а-сплава ВТ20 совмещение термоводородной обработки с пластической деформацией позволяет после вакуумного отжига создать двухфазную структуру, состоящую из первичной а!-фазы, обогащенной алюминием, и адег-фазы, обедненной алюминием, так как она образуется из Р-фазы в процессе дегазации, а низкие температуры вакуумного отжига замедляют процессы выравнивающей диффузии между двумя а-фазами с различным содержанием алюминия (рис. 4, б, в).
5)
:т ¿<
ТрАЯ
я ¿й
ТрАЯ
4}
и
Рис. 4. Участки дифрактограмм листовых образцов толщиной 2 мм из сплавов ВТ5 (а), ВТ20 (б) и ВТ6 (в) после наводороживающего отжига, пластической деформации и вакуумного отжига
Проведенные электронно-микроскопические исследования образцов после вакуумного отжига показали, что сочетание термоводородной обработки с пластической деформацией позволило создать в листах субмикрокристаллическую гетерофазную структуру с размером частиц а-фазы 300-500 нм [9, 11]. Исследования, проведенные методом темного поля и электронной микродифракции, подтвердили наличие в структуре отдельных (некогерентных) частиц а2-фазы.
Обсуждение и заключения
Проведенные исследования показали, что обратимое легирование водородом до концентрации 0,7% (по массе) в сочетании с пластической деформацией в наводоро-женном состоянии позволяет создавать в листовых полуфабрикатах толщиной 2 мм субмикрокристаллическую гетерофазную структуру, в которой а-фаза присутствует в виде двух структурных составляющих: первичной а!-фазы, обогащенной алюминием до состава а2-фазы на основе интерметаллида Ti3Al, и вторичной адег-фазы, обедненной алюминием. Размер структурных составляющих а-фазы составляет при этом 300-500 нм. Важно отметить, что в зависимости от класса сплава формируются следующие структурно-фазовые состояния: в сплаве ВТ5 - двухфазная (а+а2)-структура, в сплавах ВТ20 и ВТ6 - многофазная (а+а2+Р)-структура. Наличие упорядоченной а2-фазы подтверждается данными электронной микродифракции, а также появлением на рентгеновских дифрактограммах сверхструктурных рефлексов (10.1) и (11.0). Структура, содержащая а2-фазу на основе интерметаллидного соединения Ti3Al, является метастабильной и не свойственна сплавам ВТ5, ВТ20 и ВТ6 в равновесных условиях. В связи с этим при последующем нагреве до температур обработки и/или эксплуатации возможно протекание диффузионных процессов, приводящих к преобразованию сформировавшейся метастабильной структуры в равновесную. Для определения технологических (в первую очередь, температурно-временных) параметров дальнейшей обработки полуфабрикатов из сплавов ВТ5, ВТ20 и ВТ6, подвергнутых термоводородной обработке, необходимо исследовать температурные пределы стабильности гетерофазных структур, содержащих а2-фазу. Исследование термической стабильности (а+а2+Р)-структуры в сплаве ВТ6 проведено авторами и описано в работе [23].
Благодарности
Авторы выражают благодарность одному из основоположников водородной технологии титановых сплавов в России академику РАН A.A. Ильину и сотрудникам его научной школы - д. т. н., профессору C.B. Скворцовой и д. т. н., профессору A.M. Мамонову - за помощь в получении и интерпретации экспериментальных результатов, обсуждение и критические замечания.
ЛИТЕРАТУРА
1. Каблов E.H. Из чего сделать будущее? Материалы нового поколения, технологии их создания и переработки - основа инноваций // Крылья Родины. 2016. №5. С. 8-18.
2. Каблов E.H. Материалы для авиакосмической техники // Все материалы. Энциклопедический справочник. 2007. №5. С. 7 - 27.
3. Ночовная H.A. Перспективы и проблемы применения титановых сплавов // Сб. докл. «Перспективы развития и применения титановых сплавов для самолетов, ракет, двигателей и судов». М.: ВИАМ, 2007. С. 4-8.
4. Балабуев П.В. Титановые сплавы в изделиях АНТК им. O.K. Антонова // Титан. 1998. №1 (10). С. 15 -19.
5. Братухин А.Г., Колачев Б.А., Садков В.В. и др. Технология производства титановых самолетных конструкций. М.: Машиностроение, 1995. 448 с.
6. Скворцова C.B., Ильин A.A., Бецофен С.Я., Филатов A.A., Дзунович Д.А., Панин П.В. Анизотропия механических свойств и текстура листовых полуфабрикатов из титановых сплавов // Технология легких сплавов. 2006. №1-2. С. 81 - 87.
7. Ильин A.A., Колачев Б.А., Полькин И.С. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства: справочник. М.: ВИЛС-МАТИ, 2009. 520 с.
8. Кайбышев O.A., Утяшев Ф.З. Сверхпластичность, измельчение структуры и обработка труд-нодеформируемых сплавов. М.: Наука, 2002. 438 с.
9. Панин П.В., Манохин С.С., Дзунович Д.А. Получение и исследование субмикрокристаллической структуры в титановых сплавах при обратимом легировании водородом и пластической деформации // Вопросы материаловедения. 2016. №4 (88). С. 7 -17.
10.Ильин A.A., Скворцова C.B., Панин П.В., Шалин A.B. Влияние термоводородной обработки и пластической деформации на структурообразование в титановых сплавах разных классов // Авиационная промышленность. 2009. №4. С. 31 - 36.
11.Панин П.В. Закономерности формирования фазового состава и структуры в титановых сплавах при термоводородной обработке и пластической деформации: автореф. дис. ... канд. техн. наук. М.: МАТИ, 2009. 24 с.
12.Ильин A.A., Колачев Б.А., Носов В.К., Мамонов A.M. Водородная технология титановых сплавов. М.: МИСиС, 2002. 392 с.
13. Колачев Б.А., Ильин A.A., Носов В.К., Мамонов A.M. Достижения водородной технологии титановых сплавов // Технология легких сплавов. 2007. №3. С. 10-26.
14. Овчинников A.B., Носов В.К., Афонин В.Е., Панин П.В. Основные закономерности деформации сплавов титан-водород // Технология легких сплавов. 2007. №3. С. 96-99.
15.Ильин A.A., Скворцова C.B., Мамонов A.M., Коллеров М.Ю. Фазовые и структурные превращения в титановых сплавах разных классов под действием водорода // Титан. 2007. №1 (20). С. 32 - 37.
16. Скворцова C.B., Попова Ю.А., Панин П.В., Грушин И.А., Курышев Е.А. Влияние термической обработки на структуру и свойства сварных соединений из титанового сплава ВТ23 // Титан. 2011. №2 (32). С. 16 - 21.
17. Скворцова C.B., Панин П.В., Ночовная H.A., Грушин И.А., Митропольская Н.Г. Влияние водорода на фазовые и структурные превращения в титановом сплаве ВТ6 // Технология легких сплавов. 2011. №4. С. 35 - 40.
18.Панин П.В., Дзунович Д.А., Засыпкин В.В. Создание двухфазной композитной структуры в альфа-сплаве Ti - 6Al с помощью термоводородной обработки // Научные труды (Вестник МАТИ). 2012. №19 (91). С. 33 - 37.
19.Панин П.В., Грушин И.А., Митропольская Н.Г. Исследование закономерностей изменения структурно-фазового состояния титанового сплава ВТ6 при дополнительном легировании водородом // Научные труды (Вестник МАТИ). 2013. №20 (92). С. 31 - 34.
20.Панин П.В., Ширяев A.A., Дзунович ДА. Построение температурно-концентрационной диаграммы фазового состава титанового сплава ВТ6, дополнительно легированного водородом // Технология машиностроения. 2014. №3 (141). С. 5 - 9.
21.Панин П.В., Дзунович ДА., Алексеев Е.Б. Способы описания фазового состава титановых сплавов, дополнительно легированных водородом (обзор) // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2015. №3. Ст. 03. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 07.08.2017). DOI: 10.18577/2307-6046-2015-0-3-3-3.
22.Панин П.В., Дзунович Д.А., Алексеев Е.Б. Фазовый состав и структура титанового сплава ВТ6, дополнительно легированного водородом, после вакуумного отжига // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2016. №2 (38). Ст. 05. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 07.08.2017). DOI: 10.18577/2307-6046-2016-0-2-5-5.
23.Панин П.В., Дзунович ДА., Ширяев A.A. Исследование термической стабильности структуры титанового сплава ВТ6 после термоводородной обработки // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2016. №3 (39). Ст. 06. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 07.08.2017). DOI: 10.18577/2307-6046-2016-0-3-6-6.
24. Дзунович Д.А., Шалин A.B., Панин П.В. Структура, текстура и механические свойства деформированных полуфабрикатов из сплава ВТ6, полученных по промышленным и опытным технологиям // Деформация и разрушение материалов. 2017. №6. С. 19-27.
25. Каблов E.H. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» // Авиационные материалы и технологии. 2015. №1 (34). С. 3-33. DOI: 10.18577/20719140-2015-0-1-3-33.
26.Ночовная H.A., Панин П.В., Кочетков A.C. Проблемы получения химически и структурно однородных слитков из жаропрочных сплавов на основе гамма-алюминида титана // Материалы конф. «Проблемы производства слитков и полуфабрикатов из сложнолегированных и интерметаллидных титановых сплавов» (30 окт. 2015 г.). М.: ВИАМ, 2015. Ст. 03. 1 электр. оптич. диск (CD).
27. Каблов Д.Е., Панин П.В., Ширяев A.A., Ночовная H.A. Опыт использования вакуумно-дуговой печи ALD VAR L200 для выплавки слитков жаропрочных сплавов на основе алю-минидов титана // Авиационные материалы и технологии. 2014. №2 (31). С. 27-33. DOI: 10.18577/2071-9140-2014-0-2-27-33.
28.Ильин A.A. Механизм и кинетика фазовых и структурных превращений в титановых сплавах. М.: Наука, 1994. 304 с.
