CC BY
52
УДК 669.295:621.785
П. Е. Марковский, П. Н. Окраинец, В. К. Пищак
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СКОРОСТНОГО НАГРЕВА ПОВЕРХНОСТИ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ИХ ПРЕДЕЛА ВЫНОСЛИВОСТИ
Рассмотрена возможность повышения предела выносливости в титановых сплавах ВТ1-0, ВТ16, ВТ22 путем создания упрочненного приповерхностного слоя методом наклепа поверхности ультразвуковой ударной обработкой и дальнейшего индукционного нагре-
ва.
Введение
Для повышения усталостных характеристик конструкционных материалов обычно используют термомеханическую обработку поверхности. Идея термомеханической обработки состоит в создании особой структуры в приповерхностном слое изделий, которая способствует упрочнению поверхности и повышению предела усталости. Существует целый ряд методов создания упрочненного поверхностного слоя, которые заключаются в предварительном наклепе поверхности и последующем нагреве.
В последнее время большое внимание уделяется скоростной термообработке металлов и сплавов. Скоростной нагрев металлов позволяет создать уникальную упрочняющую микроструктуру и уменьшить стоимость обработки [1, 2]. Однако, из-за сложности структурных превращений в титановых сплавах при скоростном нагреве, использование скоростной термообработки с целью поверхностного упрочнения промышленных изделий из титановых сплавов встречает целый ряд трудностей. Для устранения этих трудностей необходимы дальнейшие более детальные научные исследования [3, 4].
Материал и методика эксперимента
В работе был проведен поиск оптимального режима термомеханической обработки поверхности титановых сплавов ВТ1-0, ВТ16 и ВТ22 для повышения предела выносливости этих сплавов. За основу был принят режим поверхностной обработки металлов по схеме " стабилизирующий отжиг + наклеп поверхности + скоростной нагрев".
Для выбора оптимальной температуры стабилизирующего отжига, отжиг образцов проводили в вакууме 10-5Па при различных температурах. Одну серию образцов отжигали до температуры полиморфного превращения(800оС 1 час), другую серию образцов отжигали после температуры превращения (900 °С 30 мин).
Наклеп поверхности проводили двумя способами. С помощью стандартной дробеструйной обработки (ДО) и ультразвуковой ударной обработки
© П. Е. Марковский, П. Н. Окраинец, В. К. Пищак 2006 г.
(УЗУО) [5]. Степень упрочнения после наклепа определяли методом измерения микротвердости на приборе ПМТ-3. По данным измерения микротвердости, деформационное упрочнение поверхности (наклеп) поверхностного слоя оценивали через определение степени наклепа К^ = НУ(-НУтт / НУтт, где - текущее значение микротвердости при измерении в глубину от поверхности, НУт]п - микротвердость не наклепанного металла из середины образца [6].
Скоростной отжиг деформированной поверхности образцов проводили с помощью индукционного нагрева. Проведенные расчеты [7] показали, что для скоростного индукционного нагрева титановых сплавов на глубину до 1 мм необходим генератор с частотой 300-500 кГц, а его мощность, необходимая для нагревания до температур 500-700 °С, должна быть от 0,8 до 2,5 кВт. С повышением мощности в этих пределах время нагрева сокращается, соответственно, от 30 до 10 с.
С целью определения оптимальной температуры скоростного отжига образцы, которые прошли обработку по схеме "стабилизирующий отжиг (800 или 900 °С) + наклеп поверхности (УЗУО или ДО)", отжигали с помощью индукционного нагрева при температурах 500, 600 и 700 °С.
Одновременно с определением в упрочненном приповерхностном слое исследовали деформационную и дислокационную структуру, что давало возможность установить корреляцию между механическими и структурными изменениями в приповерхностном слое. Структурные изменения определяли с помощью металлографии, электронной микроскопии и рентгенографии.
Результаты исследований и их обсуждение
Сравнительный анализ величины К^ в образцах титановых сплавов, после обработки поверхности по схеме "стабилизирующий отжиг (800 или 900 °С) + наклеп поверхности (УЗУО или До) + индукционный нагрев (500, 600, 700 °С)", позволил сделать вывод о том, что наибольшая величина К^ наблюдается после обработки по схеме: "стабилизирующий отжиг 800 °С 1 ч. + наклеп поверхности
методом УЗУО + индукционный нагрев до 600 °С".
Параллельно проведенные исследования деформационной структуры в наклепанном приповерхностном слое показали определенную корреляцию между механическими и структурными изменениями в этом слое. Металлографические исследования установили, что следы пластической деформации можно наблюдать до глубины примерно 0,81,0 мм, но основное падение микротвердости происходит в приповерхностном слое 0,2-0,3 мм. Металлографическим методом в деформационной структуре было обнаружено большое количество двойников, которые распределены по зерну неравномерно, что, возможно, связано с определенной кристаллографической ориентацией ГПУ альфа-фазы. Можно сделать вывод, что индукционный нагрев был проведен до температур, которые были ниже температуры начала рекристаллизации. В то же время индукционный нагрев привел к определенному упорядочению дислокационной структуры.
Из тех же образцов, на которых проводили измерение деформационного упрочнения поверхностного слоя, изготавливали фольги для электронно-микроскопических исследований структуры в приповерхностном слое. После УЗУО обработки в приповерхностном слое наблюдали образование значительной плотности дислокаций. После индукционного нагрева происходило перераспределение дислокаций в виде ячеистой структуры.
Степень деформационного упрочнения поверхностного слоя сравнивали со степенью насыщения поверхностного слоя дислокациями, которую качественно оценивали методом рентгеноструктур-ного анализа. С помощью рентгеновского метода измеряли изменение полуширины дифракционных линий от поверхности в глубину сплава по мере удаления поверхностного слоя методом химического травления. Измерение полуширины В/2 дифракционных линий дает возможность качественно оценивать упрочнение приповерхностного слоя за счет накопления дислокаций. Оказалось, что величина В/2 на поверхности значительно больше, чем в середине образца. Эти данные согласуются с результатами электронно-микроскопических исследований, что свидетельствует о том, что в приповерхностном слое имеется большая плотность дислокаций. Если сравнить эти данные с результатами измерения микротвердости (Кто заметно, что по данным В/2 упрочненный слой наблюдается до глубины 0,10-0,15 мм, в то время, как по данным К^ наклеп поверхности происходит до глубины 0,2-0,3 мм.
В а+р титановых сплавах (ВТ16 и ВТ22) проводили измерение В/2 дифракционных линий отдельно от а и р- фаз. Интересно, что В/2 линии от р-фазы в этих сплавах на поверхности имеет примерно в два раза большее значение В/2, чем от
линии а-фазы. Это может свидетельствовать о том, что р-фаза упрочняется значительно больше чем а-фаза потому, что содержит большую плотность дислокаций.
Испытания на усталость проводили на образцах галтельного типа по схеме: изгиб с кручением. Испытания проводили последовательно после каждого этапа обработки по режиму: "отжиг 800 °С 1 ч. + УЗУО + индукционный нагрев до 600 °С".
Результаты испытаний сплава ВТ1-0 приведены на рис. 1. Заметна определенная корреляция между параметрами структурных исследований и пределом усталости. Наибольшее значение предела усталости наблюдается в образцах, которые прошли полную обработку по режиму "отжиг 800 °С 1 ч. + УЗУО + индукционный нагрев до 600 °С", что соответствует наибольшему значению К^ и соответствующей микроструктуре после такого же режима обработки. По сравнению с образцами, испытанными в состоянии исходной структуры, предел выносливости после окончательной обработки вырос на 50 %.
Результаты усталостных испытаний сплава ВТ16 не такие выразительные, как для сплава ВТ1-0. Данные исследований величины эа имеют большой разброс, что приводит к большим затруднениям при определении предела выносливости. Особенно это касается испытаний на усталость сплава ВТ16 после обработки по схеме "исходное со-стояние+ УЗУО". Возможной причиной неоднозначного результата усталостных испытаний сплава ВТ 16 может быть плохое качество поверхности образцов после УЗУО. По этой причине в схему обработки была введена операция механического шлифования поверхности: "исходное состояние + УЗУО+ механическое шлифование поверхности" и "исходное состоянии + УЗУО + индукционный на-
400-1
380
360
340
320
300
250
260
240
220
-А-А-
гб—е-
105
106
10'
Рис. 1. Изменение предела выносливости в зависимости от режима поверхностного упрочнения сплава ВТ 1-0:
- отжиг 800 °С 1ч;
- отжиг 800 °С 1 ч + УЗУО;
- отжиг 800 °С 1ч + УЗУО+ индукционный нагрев 600 °С
N
тм
/55Л/1727-0219 Вестникдвигдтелестроения № 2/2006
- 205 -
грев + механическое шлифование поверхности". Данные величин предела выносливости сплава ВТ 16 после разных режимов обработки поверхности приведены на рис. 2. Видно, что добавление операции шлифования поверхности несколько изменило величину предела выносливости сплава. Она способствовала небольшому повышению предела выносливости после обработки по схеме: "исходный отжиг + УЗУО+ Инд. нагрев 600 °С + шлифование поверхности" (5,6 %) и более значительно повысила (14,6%) предел выносливости после обработки по режиму: "исходный отжиг+ УЗУО + шлифование поверхности". Таким образом, обработка поверхности шлифованием способствует повышению усталостных характеристик, особенно, если шлифование осуществляется после наклепа (УЗУО).
Сплавы такого класса как сплав ВТ22 обычно хорошо упрочняются, если учесть свойственное им деформационное старение. Необходимо принять во внимание также тот положительный опыт, который был накоплен при изучении поверхностного упрочнения в других а+р титановых сплавах. Схема режима поверхностной обработки этого сплава была выбрана с учетом этих обстоятельств. Таким режимом является обработка сплава ВТ22 по схеме: "закалка из р области + ультразвуковая ударная обработка (УЗУО) + индукционный нагрев + старение" с добавлением операции шлифования поверхности. Первоначально, были проведены испытания на усталость по схеме: "закалка + УЗУО + индукционный нагрев 700 °С + старение 600 °С 8 ч + шлифование". Такой режим обработки не дал положительного эффекта. Предел выносливости был таким же, как у образцов после закалки. Другой режим обработки проводился по схеме: "закалка + УЗУО + индукционный нагрев 600 °С+ старение 550 °С 8 ч + шлифование". Результаты этих усталостных испытаний приведены на рис. 3.
£ 650-1
600-
550-
10-5
10
10
N
Рис. 2. Сплав ВТ16: ■ - после отжига 800 °С ; □ - отжиг 800 °С + УЗУО + шлифование; ▲ - отжиг 800 °С + УЗУО + индукционный нагрев 600 °С+шлифование поверхности
70Ш
660-
600-
1с4
.....и
105
106
10 N
Рис. 3. Результаты испытания сплава ВТ22, обработанного по схеме:
■ - "закалка +УЗУО +ИН 700 °С+ старение 600 °С 8 ч + шлифование", □ - "закалка +УЗУО +ИН 600° С + старение 550 °С 8 ч + шлифование"
Таким образом, последний режим поверхностной обработки сплава ВТ22 способствовал повышению предела выносливости на 12 %.
На рис. 4 приведена фотография поперечного сечения образца сплава ВТ22 после усталостных испытаний. Видно, что на поверхности образца есть прослойка со структурой, которая значительно отличается от структуры середины образца.
Рис. 4. Фотография поперечного сечения поверхности образца сплава ВТ22 после усталостных испытаний
Выводы
1. Режим термомеханического поверхностного упрочнения титанового сплава ВТ1-0 с использованием ультразвуковой ударной обработки и скоростного индукционного нагрева по схеме: "стабилизирующий отжиг 800 °С 1 ч. в вакууме ~10-5 + деформирование поверхности (УЗУО) + скоростной индукционный нагрев поверхности 600 °С" приводит к повышению предела выносливости сплава на 50 %.
2. Предел выносливости сплава ВТ16 повышается на 14,7 % после поверхностного упрочнения сплава по схеме: "отжиг 800 °С 1 г+УЗУО+шлифо-вание". Обработка поверхности сплава по схеме: "отжиг 800 °С 1 ч + УЗУО + индукционный нагрев 600 °С + шлифование" способствует повышению предела выносливости только на 5,6 %.
3. Поверхностное упрочнение титанового сплава ВТ22 по режиму "закалка + УЗУО + индукционный нагрев 600 °С + старение 550 °С 8 ч + шлифование" позволяет повысить предел выносливости сплава на 12 %.
Список литературы
1. Semiatin S.L., Sukonnik I.M. Proc. of 7th International Symposium on Phisical Simulation if Casting, Hot Rolling and Welding, ISPS, 21-23 Jan., 1997.
2. ГридневВ.Н., Ошкадеров С.П., О.М.Ивасишин О.М., Физические основы скоростного термоупрочнения сплавов. - Киев: Наук. думка: 1986.
3. Wagner.L. Materials Sci. and Eng., 1999. - A263. -pp. 210-216.
4. Wagner L., Gregory J.K., Second ASM Heat Treatment and Surface Engineering Conference in Europe, June 1-3, 1993, in Dortmund, Germany. - рp. 34-45.
5. Gust W., Prokopenko G.I., Kozlov A.V., Mordyuk
B.N., Abramov V.O., ФХММ, 1999. - №5. -
C. 71-74.
6. Сулима А.М., Евстигнеев М.И., Качество поверхностного слоя и усталостная прочность деталей из жаропрочных и титановых сплавов (Москва: Машиностроение: 1974).
7. Марковский П.Е., Мордюк Б.Н., Окраинец П.Н., Пищак В.К., ФХММ, 2006. (в печати).
Поступила в редакцию 27.04.2006 г.
Розглянуто можлив1сть п1двищення границ витривалост1 у титанових сплавах ВТ1-0, ВТ16, ВТ22 шляхом утворення зм1цненого поверхневого шару методом наклепу поверхн1 ультразвуковою ударною обробкою та подальшого ¡ндукцйного нагрву.
Perspectives of surface hardening by ultrasonic impact treatment with subsequent induction heating for improvement of fatigue strength of titanium alloys ВТ1-0, ВТ16 and ВТ22 are considered.
ISSN 1727-0219 Вестникдвигателестроения № 2/2006
- 207 -
