CC BY
6
Легкие сплавы Ш
УДК 669.295
А.Л. Яковлев1, А.А. Арисланов1, С.В. Путырский1, Н.А. Ночовная1
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И СТРУКТУРЫ
КРУПНОГАБАРИТНЫХ ПОЛУФАБРИКАТОВ
ИЗ ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ6ч
DOI: 10.18577/2071-9140-2020-0-4-12-18
Представлены результаты проведенного комплекса исследований (анализ микроструктуры, а также определение механических свойств при растяжении, ударной вязкости (KCU), малоцикловой усталости (МЦУ), вязкости разрушения (К1с)) крупногабаритной поковки из титанового сплава ВТ6ч, предусматривающих при изготовлении окончательную деформацию в (а+в)-области, а также крупногабаритных профиля и штамповки из титанового сплава ВТ6ч, предусматривающих при изготовлении окончательную деформацию в в-области.
Проведен сравнительный анализ полученных в результате исследований данных, показывающий зависимость механических свойств полуфабрикатов с пластинчатой структурой от размеров структурных составляющих - первичных в-зерен и колоний а-пластин. Особенно это заметно для характеристик пластичности.
Ключевые слова: титановые сплавы, крупногабаритные полуфабрикаты, деформация, механические свойства, микроструктура, термическая обработка.
A.L. Yakovlev1, A.A. Arislanov1, S.V. Putyrskiy1, N.A. Nochovnaya1
STUDY OF MECHANICAL PROPERTIES AND STRUCTURE
OF LARGE-SIZED SEMI-FINISHED PRODUCTS
MADE OF VT6ch TITANIUM ALLOY
The article presents the results of a complex of studies (analysis of microstructure, as well as determination of mechanical properties under tension, impact strength (KCU), low -cycle fatigue (LCF), fracture toughness (К1с)) of large-sized forgings made of titanium alloy Vt6^, providing for the final deformation in the (a+e)-region, as well as large-sized profiles and stamping made of titanium alloy Vt6^, providing for the final deformation in the в-region.
A comparative analysis of the data obtained during the research shows the dependence of the mechanical properties of semi-finished products with plate-like structure on the size of the structural components - of primary в-grains and colonies of a-plates. This is especially noticeable for the characteristics ofplasticity.
Keywords: titanium alloys, large-sized semi-finished products, deformation, mechanical properties, microstructure, heat treatment.
^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: admin@viam.ru
Введение
В течение 1970-х гг. была проведена большая совместная работа металлургического завода ВСМПО (г. Верхняя Салда), научных институтов ВИАМ и ВИЛС по уточнению состава и технологии производства полуфабрикатов из сплава ВТ6 модификации «ч». В итоге этой работы отработан химический состав и внесены дополнения в шихтовую нормаль по расчетному составу сплава. Отличительной особенностью шихтовки сплава ВТ6ч (по сравнению со сплавом ВТ6) является дополнительное легирование его кислоро-
дом до 0,16% (по массе) (в последующем - до 0,2% (по массе)) и ограничение легирования железом до 0,4% (по массе) [1]. Кислород в данном сплаве является легирующим элементом, а не примесью.
С целью повышения стабильности механических и технологических характеристик уменьшен интервал легирования по содержанию алюминия с 1,5 до 1,25% (по массе) и установлен предел 5,5-6,75% (по массе). Такое легирование позволило обеспечить заданный уровень прочности сплава - ов=850-900 МПа (в зависимости от сечения полуфабриката).
Необходимо отметить, что зарубежный сплав-аналог Ть6-4 (США) обладает практически полностью идентичным химическим составом [2].
Сплав ВТ6ч нашел широкое применение в отечественном авиастроении [3, 4]. Из данного сплава возможно изготавливать детали и элементы силового набора планера летательного аппарата. Полуфабрикатами для изготовления такого рода деталей служат профили, штамповки, поковки и др. В СССР было налажено производство крупногабаритных полуфабрикатов из титанового сплава ВТ6ч и деталей из них, в том числе сварных [5], а также разработан и изготовлен целый комплекс технологического оборудования, включавший линии крупногабаритных металлообрабатывающих станков, обтяжных прессов, закалочных, сварочных и термообрабатывающих печей и установок.
Вследствие распада СССР произошло прекращение производства целой серии изделий авиационной техники. В результате было остановлено изготовление уникальных крупногабаритных полуфабрикатов из титанового сплава ВТ6ч, таких как поковки сечением >200 мм, штамповки массой >1 т, профили длиной >20 м и массой >3 т.
За прошедшие годы полностью или частично утеряны технологические приемы и технологии производства полуфабрикатов, документация, уникальное оборудование для производства полуфабрикатов и деталей из них, штамповая оснастка и инструмент. На металлургических заводах изменилось оснащение оборудованием, в том числе необходимым для выпуска крупногабаритных полуфабрикатов, - произошла замена или модернизация. Новое оборудование обладает характеристиками, отличающимися от ранее применяемого. Включение новых единиц оборудования в технологическую схему по изготовлению крупногабаритных полуфабрикатов требовало корректировки параметров технологических процессов.
Для обеспечения производства силового набора планера изделий авиационной техники разработаны технологии изготовления и режимы термической обработки крупногабаритных полуфабрикатов из титанового сплава ВТ6ч, которые обеспечивают получение полуфабрикатов, обладающих повышенным уровнем свойств в сравнении с аналогичными видами крупногабаритных полуфабрикатов из титанового сплава ВТ6ч, серийно выпускавшихся ранее. Основным и крупнейшим производителем полуфабрикатов из титановых сплавов является ПАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА» [6].
Известно, что путем оптимизации структуры можно добиться реализации существен-
ных резервов повышения механических свойств титановых сплавов [7]. Таким образом, задача оптимизации структуры полуфабрикатов из титановых сплавов до сих пор имеет важное значение.
Актуальными в настоящее время являются вопросы влияния структуры на характеристики работоспособности титановых сплавов [8]. К числу таких характеристик, изучению которых в последние годы посвящено немалое количество работ, относятся:
- вязкость разрушения (К1с), определяющая сопротивляемость материала разрушению при статическом или усталостном нагруже-нии в случае наличия в нем трещин;
- сопротивление усталостным нагрузкам, характеризующее долговечность материала в различных условиях циклического нагру-жения [9].
В данной статье проведено сравнение полученных при испытаниях значений механических свойств крупногабаритных полуфабрикатов из титанового сплава ВТ6ч, различных по технологическим параметрам изготовления, а также проведен анализ влияния окончательной деформации в Р-области на различные характеристики и структуру изготовленных полуфабрикатов.
Работа выполнена в рамках реализации комплексного научного направления 8. «Легкие, высокопрочные коррозионностойкие свариваемые сплавы и стали, в том числе с высокой вязкостью разрушения» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [10].
Материалы и методы
Осуществлено изготовление крупногабаритных полуфабрикатов из титанового сплава ВТ6ч: профиля (массой >3500 кг, длиной >20 м), штамповки (массой >1400 кг) и поковки (массой >700 кг, сечением >200 мм).
Изготовление профиля происходило в кооперации с АО «Евраз НТМК» (г. Нижний Тагил), где проходил процесс прокатки на универсальном балочном стане под длинномерный профиль предварительно деформированной на ПАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА» заготовки. Весь цикл изготовления поковки и штамповки осуществляли на производственных мощностях ПАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА».
Следует отметить, что технология изготовления крупногабаритных профилей и штамповок предусматривает окончательную деформацию в Р-области. Это обусловлено невозможностью продеформировать такой объем металла в (а+Р)-области для достижения необходимой геометрической формы крупногабаритных полуфабрикатов. Деформацию
\ Т\ \
Микроструктуры профиля (а, б), штамповки (в, г) и поковки (д, е) из сплава ВТ6ч (поперечное направление)
штамповки проводили на крупнейшем в стране и одном из наиболее мощных прессов в мире - прессе 170 с усилием 75000 тс на ПАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА».
Испытания образцов из титанового сплава ВТ6ч проводили:
- на растяжение - по ГОСТ 1497-84 на испытательной машине Zwick/Roell Z 050;
- на ударную вязкость - по ГОСТ 9754-78 на маятниковом копре PH300-CHV фирмы Walter+Bai AG;
- на малоцикловую усталость (МЦУ) - по ГОСТ 25.502-79 на испытательной машине LFV-100 №1867 фирмы Walter+Bai AG;
- на вязкость разрушения (К1с) - по ГОСТ 25.506-85 на испытательной машине MTS-50 т.
Исследования микроструктуры выполняли на оптическом микроскопе Olympus GX51.
Результаты
Анализ микроструктуры
Проведены исследования микроструктуры образцов, изготовленных из профиля, штамповки и поковки. Изображения микроструктур профиля, штамповки и поковки представлены на рисунке.
Микроструктура профиля однородная, представлена крупными бывшими ß-зернами с оторочкой а-фазы по их границам и внутри-зеренными разориентированными колониями а-фазы пластинчатой морфологии. Данная микроструктура характерна для проведения заключительной стадии деформации в однофазной ß-области.
Микроструктура штамповки по строению схожа с микроструктурой профиля, представ-
лена деформированными бывшими Р-зер-нами и пластинчатой а-фазой по границам и внутри них. Данная микроструктура также характерна для проведения заключительной стадии деформации в однофазной Р-области. Необходимо отметить, что микроструктура штамповки представлена более крупными Р-зернами и более мелкими а-пластинами, чем микроструктура профиля, что обуславливает снижение пластических характеристик.
Микроструктура поковки однородная, хорошо проработанная, представлена преимущественно глобулярными частицами а-фазы с отдельными участками пластинчатой морфологии на фоне Р-матрицы. Данная микроструктура характерна для проведения деформации на заключительной стадии в двухфазной (а+Р)-области [11].
Определение характеристик при испытаниях на растяжение Проведены испытания на растяжение при температуре 20 °С образцов, изготовленных из крупногабаритных полуфабрикатов из титанового сплава ВТ6ч. Результаты испытаний представлены в табл. 1.
Профиль и штамповка из титанового сплава ВТ6ч с окончательной деформацией в Р-области обеспечивают более высокий уровень прочностных характеристик при более низком уровне пластичности в сравнении с поковкой из титанового сплава ВТбч.
Что касается сравнения значений свойств по профилю и штамповке, то штамповка обеспечивает более высокий уровень прочности при более низких значениях пластичности. Это связано с тем, что на штамповке получена
Таблица 1
Результаты испытаний на растяжение (средние значения)
Вид полуфабриката Направление вырезки образца Оо,2 О §5 V
МПа %
Профиль В 867 914 11,3 24,1
Д 872 917 11,7 25,2
П 855 904 11,0 24,4
Штамповка Д 888 936 8,8 19,2
П 914 946 7,7 19,3
Поковка В 858 910 13,0 30,0
Д 860 890 14,8 37,5
П 870 908 12,3 37,0
структура с более крупными Р-зернами, что объясняет меньшие значения по пластичности и большие значения по прочности.
Определение ударной вязкости KCU Проведены испытания на ударную вязкость KCU при температуре 20 °С образцов, изготовленных из крупногабаритных полуфабрикатов из титанового сплава ВТ6ч. Результаты испытаний представлены в табл. 2.
Профиль из титанового сплава ВТ6ч с окончательной деформацией в Р-области обеспечивает схожий уровень характеристик ударной вязкости в сравнении с поковкой из титанового сплава ВТ6ч.
На образцах из штамповки получены наименьшие значения ударной вязкости. Микроструктура штамповки представлена наиболее крупными Р-зернами (в сравнении с
профилем), что обеспечивает более высокий уровень прочности, а также более низкий уровень пластичности, что объясняет получение более низких значений ударной вязкости.
Определение характеристик при испытаниях на МЦУ Испытания на малоцикловую усталость при температуре 20 °С образцов типа «полоса с отверстием» (К=2,6), изготовленных из крупногабаритных полуфабрикатов титанового сплава ВТ6ч, проводили при f=60 Гц, R0=O,OL
Испытания на малоцикловую усталость при 20 °С образцов типа «проушина» (К=3,2), изготовленных из крупногабаритных полуфабрикатов титанового сплава ВТ6ч, проводили при 7=3-5 Гц, R0=O,OL
Результаты испытаний представлены в табл. 3.
Таблица 2
Результаты испытаний на определение ударной вязкости (средние значения)
Вид полуфабриката Направление вырезки образца KCU, Дж/см2
Профиль Д 65,0
П 62,2
Штамповка Д 50,8
П 51,0
Поковка Д 63,7
П 58,6
Вид полуфабриката Направление вырезки образца Напряжение снетго, МПа Число циклов до разрушения, цикл
Образцы типа «полоса с отверстием» (Kt=2,6)
Профиль П 274,4 162920
Штамповка Д 174030
Поковка Д 215530
Образцы типа «проушина» (Kt=3,2)
Профиль П 196 169110
Штамповка Д 175885
Поковка Д 324500
Таблица 3
Результаты испытаний на малоцикловую усталость образцов из профиля, штамповки и поковки (средние значения)
Поковка из титанового сплава ВТ6ч с окончательной деформацией в (а+Р)-области с глобулярной мелкозернистой структурой обеспечивает более высокий уровень значений МЦУ как на образцах типа «полоса с отверстием», так и на образцах типа «проушина» в сравнении с профилем и штамповкой из титанового сплава ВТ6ч.
Следует отметить, что на характеристики усталости титановых сплавов наряду с различными металлографическими факторами, к которым относится и структура, влияют также и условия испытаний: программа и схема нагружения, частота и амплитуда испытаний, величина концентраторов [12]. Такое многообразие параметров, от которых зависит циклическая прочность титановых сплавов, затрудняет оценку влияния структуры и часто приводит к спорным результатам. В научно-технической литературе также отмечается перспектива достижения на образцах материала с Р-структурой схожих с (а+Р)-структу-рой значений МЦУ при достижении определенных размеров зерна [13].
Определение вязкости разрушения (К1с, Кд) Проведены испытания на вязкость разрушения (К1с, Кд) при температуре 20 °С образцов, изготовленных из крупногабаритных полуфабрикатов титанового сплава ВТ6ч. Результаты испытаний представлены в табл. 4.
Профиль и штамповка из титанового сплава ВТ6ч с окончательной деформацией в Р-области обеспечивают существенно более высокий уровень вязкости разрушения (К1с, Кд) по сравнению с поковкой из титанового сплава ВТ6ч.
Разница в уровне значений вязкости разрушения (К1с, Кд) в зависимости от типа полуфабриката обусловлена различным структурным состоянием (пластинчатая структура -
профиль и штамповка; глобулярная структура - поковка), сформированным вследствие применения различных температурно-деформационных режимов обработки на технологических стадиях изготовления полуфабрикатов [14].
Необходимо отметить, что полуфабрикаты, технология изготовления которых предусматривает окончательную деформацию в Р-области, ожидаемо показали не только гораздо более высокий, но и более стабильный уровень значений вязкости разрушения.
Вероятно, это объясняется более резким изменением движения трещин в пластинчатой структуре по сравнению с глобулярной, что связано с влиянием границ первичных Р-зерен и а-колоний, а также их ветвлением с образованием вторичных трещин. Происходящее в результате этих процессов увеличение общей длины трещины требует большей энергии и включает большие объемы металла в работу пластической деформации [15]. Следовательно, увеличение доли пластинчатой а-фазы в смешанной глобулярно-пластинчатой структуре путем повышения температуры деформации до температуры (а+Р)^Р-перехода вызывает увеличение параметров вязкости разрушения.
Для увеличения значений вязкости разрушения до максимально возможных необходимо, чтобы а-пластины, кроме того, были короткими и близко расположенными, чтобы вызвать частые изменения направления движения растущей трещины.
Что касается анизотропии характеристик вязкости разрушения и других механических свойств, то ее развитию способствует снижение температуры деформации и последующей термической обработки, увеличение степени деформации, а также деформация по схеме, при которой происходит преимущественно однонаправленное течение металла.
Таблица 4
Результаты испытаний на вязкость разрушения (К1с, К¿> образцов _из профиля, штамповки и поковки (средние значения)_
Вид полуфабриката Направления вырезки образца и нагружения Кд, МПа-Ум К1с, МПа-Ум
Профиль ДП 128 121*
ПД 130 -
Штамповка ДП 125 122**
ПД 119 119
ВД 117 111**
Поковка ДП 89 89
ПД 86 86
ВД 105 105
* Значение К1с получено на одном образце из шести испытанных. ** Значение К1с получено на одном образце из двух испытанных.
Обсуждение и заключения
Сплав ВТ6ч является наиболее применимым титановым сплавом для изготовления широкой номенклатуры элементов конструкции гражданских и военных отечественных самолетов. Аналогичное утверждение справедливо для его иностранного аналога - сплава Ть6-4 и его модификаций [16]. Причиной является сочетание сбалансированного химического состава, стабильно достигаемого комплекса механических свойств, а также технологичности, в том числе при горячей деформации, что обеспечивает возможность изготовления крупногабаритных полуфабрикатов.
В настоящее время заключительная деформация в Р-области применяется в исключительных случаях для обеспечения выполнения требований по достижению геометрических параметров крупногабаритных полуфабрикатов. Из приведенных ранее результатов исследований видно, что формируемая при деформации в Р-области пластинчатая структура может обеспечивать достижение механических свойств на уровне комплекса свойств, присущего глобулярной структуре, сформированной при заключительной деформации в (а+Р)-облас-ти. В то же время значения вязкости разрушения полуфабрикатов с пластинчатой структурой значительно выше.
Однако механические свойства полуфабрикатов с пластинчатой структурой крайне зависимы от размеров структурных составляющих - размеров первичных Р-зерен и коло-
ний а-пластин. Особенно это заметно для характеристик пластичности.
В этой связи актуальным является проведение исследований по определению требований к Р-структуре, выполнение которых позволит обеспечить стабильное достижение необходимых значений механических свойств. Это в свою очередь расширит области применения Р-деформации и даст возможность чаще применять данный технологический прием для выполнения требований конструкторов к перспективным образцам авиационной техники.
За рубежом для формирования Р-струк-туры полуфабрикатов из сплавов-аналогов ВТ6ч активно применяется термическая обработка с нагревом в Р-область, при этом заключительная деформация проводится в (а+Р)-области. В некоторых случаях Р-термическая обработка считается более предпочтительной, чем Р-деформация, что связывают с равномерностью формирования структуры. При этом в отечественном производстве данный подход до настоящего времени не получил достаточного развития. Это обуславливает необходимость проведения комплексных работ по разработке технологии Р-термической обработки и технологии предварительной деформационной обработки.
Благодарности
Авторы статьи выражают благодарность за участие в проведенной работе специалистам ПАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА» и ПАО «Туполев».
Библиографический список
1. Глазунов С.Г., Моисеев В.Н. Конструкционные титановые сплавы. М.: Металлургия, 1974. 368 с.
2. Хорев А.И. Основные научные и практические направления повышения стабильности механических свойств (а+ß)-титановых сплавов высокой и сверхвысокой прочности // Ti-2010 в СНГ. Екатеринбург, 2010. С. 227-235.
3. Ильин А.А., Колачев Б.А., Полькин И.С. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства: справочник. М.: ВИЛС-МАТИ, 2009. 520 с.
4. Каблов Е.Н., Гриневич А.В., Ерасов В.С. Характеристики прочности металлических авиационных материалов и их расчетные значения // 75 лет. Авиационные материалы. М.: ВИАМ, 2007. С. 370-379.
5. Дзунович Д.А., Панин П.В., Лукина Е.А., Ширяев А.А. Влияние режимов термической обработки на структуру и свойства сварных крупногабаритных полуфабрикатов из титанового сплава ВТ23 // Труды ВИАМ: электрон. науч.-техн. журн. 2018. №1 (61). Ст. 07. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 20.07.2020). DOI: 10.18577/2307-6046-2018-0-1-7-7.
6. Каблов Е.Н. Из чего сделать будущее? Материалы нового поколения, технологии их создания и переработки - основа инноваций // Крылья Родины. 2016. №5. С. 8-18.
7. Арисланов А.А., Гончарова Л.Ю., Ночовная Н.А., Гончаров В.А. Перспективы использования титановых сплавов в слоистых композиционных материалах // Труды ВИАМ: электрон. науч.-техн. журн. 2015. №10. Ст. 04. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 23.07.2020). DOI: 10.18577/2307-6046-2015-0-10-4-4.
8. Каблов Е.Н. ВИАМ: продолжение пути // Наука в России. 2012. №4. С. 7-11.
9. Путырский С.В., Яковлев А.Л., Ночовная Н.А., Крохина В.А. Исследование влияния различных режимов термической обработки на свойства полуфабрикатов и сварных соединений из сплава ВТ22М // Авиационные материалы и технологии. 2019. №1 (54). С. 3-10. DOI: 10.18577/2071-91402019-0-1-3-10.
•
10. Каблов Е.Н. 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.
11. Дзунович Д.А., Алексеев Е.Б., Панин П.В., Лукина Е.А., Новак А.В. Структура и свойства листовых полуфабрикатов из деформируемых интерметаллидных титановых сплавов разных классов // Авиационные материалы и технологии. 2018. №2 (51). С. 17-25. DOI: 10.18577/2071-91402018-0-2-17-25.
12. Борисова Е.А., Бочвар Г.А., Брун М.Я. и др. Металлография титановых сплавов. М.: Металлургия, 1980. С. 246-260.
13. Золоторевский В.С. Механические свойства материалов: учеб. для вузов. 2 -е изд. М.: Металлургия, 1983. 352 с.
14. Арисланов А.А., Путырский С.В., Яковлев А.Л., Грибков М.С. Исследование структуры и механических свойств сварных соединений из сплава ВТ6ч // Авиационные материалы и технологии. 2019. №4 (57). С. 74-79. DOI: 10.18577/2071-9140-2019-0-4-74-79.
15. Inagaki I., Shirai Y., Takechi T., Ariyasu N. Application and Features of Titanium for the Aerospace Industry. Osaka: Nippon Steel & Sumitomo Metal, 2014. Р. 22-27.
16. Peters M., Kumpfert J., Ward C.H., Leyens C. Titanium Alloys for Aerospace Applications // Advanced Engineering Materials. 2003. Vol. 5. P. 419-427.
