CC BY
12
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
УДК 669.295
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ АЛЮМИНИЯ НА ФАЗОВЫЙ СОСТАВ И ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИЙ РЕЖИМ ИЗОТЕРМИЧЕСКОЙ ШТАМПОВКИ ИНТЕРМЕТАЛЛИДНОГО СПЛАВА ВТИ-4*
Е.Б. Алексеев (ФГУП ВИАМ, e-mail: alexeev-evgeny@mail.ru), Н.А. Ночовная, докт. техн. наук, В. И. Иванов, П.В. Панин, канд. техн. наук,
А.В. Новак(ФГУП ВИАМ, e-mail: admin@viam.ru)
Для разработки термомеханического режима и параметров изотермической штамповки интерметаллидного сплава ВТИ-4 исследовано влияние алюминия на состав и температуру фазовых областей в слитках. Показано, что при содержании алюминия 11,5 % мас. обеспечивается видманштеттовая структура в слитках и оптимальные условия деформационной их обработки с получением достаточно высокого уровня пластических свойств (относительное удлинение 7,0 %) деформированных полуфабрикатов при уровне прочности 1150 МПа.
Ключевые слова: жаропрочный титановый ортосплав ВТИ-4, изотермическая деформация, фазовые превращения, фазовый состав, микроструктура, механические свойства.
Investigation of the Effect of Aluminium Content on Phase Composition and Thermomechanical Mode of Isothermal Forging of VTI-4 Intermetallic Alloy. Ye.B. Alexeev, N.A. Nochovnaya, V.I. Ivanov, P.V. Panin, A.V. Novak.
To develop thermomechanical mode and parameters of isothermal forging of VTI-4 intermetallic alloy, the effect of aluminium content on composition and a temperature of phase fields in ingots has been investigated. It is shown that 11,5 wt % aluminum content ensures development of a Widmanstatten structure in ingots and optimum conditions for their plastic working with attainment of rather high level of plastic properties of wrought semiproducts (elongation up to 7,0 % with a level of strength being 1150 MPa).
Key words: VTI-4 high-temperature titanium orthorhombic Ti2AlNb-based alloy, isothermal deformation, phase transformations, phase composition, microstructure, mechanical properties.
Введение
Разработка, апробация и организация высокотехнологичного промышленного производства новых материалов с высокими удель-
* Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант № 13-08- 12036-офи_м.
Исследования проведены на оборудовании Испытательного центра ВИАМ (система сертификации по ГОСТ Р и АТ и ОГА; аттестат аккредитации № ИЛ-103; аттестат аккредитации № РОСС ПЫ.0001.22НН06).
Обработка результатов проведена в рамках Центра компетенции на базе ВИАМ по разработке и производству сплавов на основе интерметаллидов титана для авиационных двигателей и наземных энергетических установок.
ными свойствами являются актуальными задачами современного авиационного дви-гателестроения, которые продиктованы необходимостью реализации государственных проектов по созданию перспективных образцов авиационной техники (МС-21, ПАК ДА, ПАК ФА). Сформулированные задачи могут быть успешно решены в рамках разработанных в ВИАМе «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года», где особая роль отводится жаропрочным интерметал-лидным титановым сплавам [1-5].
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
Наиболее востребованными для промышленного внедрения признаны интерметал-лидные титановые сплавы на основе тройного орторомбического интерметаллида ^А^Ь (ортосплавы), которые обладают высоким комплексом технологических, механических и эксплуатационных свойств по сравнению со сплавами на основе соединений ИзА! и НА! [6, 7]. Это позволяет изготавливать из них деформированные полуфабрикаты деталей газотурбинных двигателей и наземных энергетических установок и обеспечивать длительную работу при температурах до 650 °С с возможным кратковременным повышением температуры до 700 °С [8, 9], а также использовать их для производства новых интерме-таллидных композиционных материалов (ИКМ) с матрицей из ортосплава и волокон ЭЮ. Создание композиционных материалов на основе титановых (в том числе экономноле-гированных) и интерметаллидных сплавов является весьма перспективным направлением развития материаловедения, которое обеспечит снижение массы на 20 % по сравнению с цельнометаллическими конструкциями из алюминиевых сплавов и слоистых композиционных материалов системы Т1-Т1А!з [10].
В настоящее время наиболее подготовленным для внедрения является интерметал-лидный титановый сплав ВТИ-4, интервал легирования которого позволяет изготавливать из него большой сортамент деформированных полуфабрикатов (крупные штамповки, лопаточные заготовки, листы, ленту и фольгу) с широким диапазон механических свойств [11]. Сплав ВТИ-4 обладает хорошими свойствами также при электронно-лучевой свар-
шшшшвли
- ' л
'-.С" '■■• '
мкм .
—I 1ННВ
ке, что обеспечивает возможность изготовления из него крупногабаритных неразъемных соединений [12].
В настоящей статье применительно к оптимизации термомеханического режима и параметров изотермической штамповки проведено исследование изменения структурно-фазового состава и уровня механических свойств интерметаллидного титанового сплава ВТИ-4 в зависимости от содержания вводимого алюминия.
Материалы и методы исследования
Металлографические исследования* проведены на слитках и деформированных полуфабрикатах из интерметаллидного титанового сплава ВТИ-4 с содержанием алюминия 11,5 и 13 % мас. (23,0 и 25,5 % ат.). Выплавку слитков сплава ВТИ-4 [13, 14], отработку режимов деформации и изготовление полуфабрикатов [15, 16] осуществляли в ВИАМе на вакуумно-дуговой печи УАЯ 1_200 фирмы АЬй и изотермическом прессе усилием 16 МН. Механические испытания на растяжение при комнатной температуре проводили на цилиндрических образцах по ГОСТ 1497.
Результаты экспериментов и их обсуждение
Для исследования влияния алюминия на температуру существования фазовых областей и механические свойства деформированных полуфабрикатов из интерметаллидных титановых сплавов на основе фазы Т12А!ЫЬ были выплавлены слитки сплава ВТИ-4 с содержанием алюминия 11,5 % мас. и повышенным содержанием алюминия до 13,0 % мас. Микроструктура выплавленных слитков представлена на рис. 1.
Проведенные исследования микроструктуры интер-металлидного титанового
Рис. 1. Микроструктура слитков интерметаллидного титанового сплава ВТИ-4 с содержанием алюминия 11,5 (а) и 13,0 % мас. (б)
* Рентгеноструктурные исследования проведены на оборудовании Ресурсного центра коллективного пользования «Авиационно-космические материалы и технологии» МАТИ.
а
-Ф-
-Ф-
-Ф-
-Ф-
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
Таблица 1
Результаты рентгеноструктурного анализа образцов из интерметаллидного титанового сплава ВТИ-4 с содержанием алюминия 11,5 и 13,0 % мас.
Температура, °С Фазовый состав
13,0 % мас. А1 11,5 % мас. А1
1210 РА2 РА2
1180 Р(А2+В2) Р(А2+В2мало)
1150 Р(А2+В2) Р(А2+В2мало)
1100 Р(А2+В2) Р(А2+В2)
1050 Р(А2+В2) Р(А2+В2) + а2мало
1000 Р(А2+В2) Р(А2+В2) + Омало + а2
950 Р(А2+В2) + О(мало) + Р(А2+В2) + О + а2
а2 (следы)
900 рА2 + О + а2 0 + Р(А2+В2мало) + а2
850 О + рА2 + а2 О + Ра2 + а2мало
800 О + Ра2 + а2 (следы) 0 + РА2 + а2следы
770 О + Ра2(мало) -
сплава ВТИ-4 с таким различием в содержании алюминия показали, что снижение легирования сплава алюминием с 13,0 до 11,5 % мас. обеспечивает позитивное формирование в слитке тонкопластинчатой видманштеттовой микроструктуры взамен гру-бопластинчатой при содержании 13,0 % мас. А1.
Для определения параметров изотермической деформационной обработки исследовали фазовый состав выплавленных слитков методом рентгеноструктурного анализа образцов, закаленных с интервала температур 800-1180 °С через каждые 50 °С (табл. 1) [16]. С целью уточнения значений дополнительно был проведен металлографический анализ закаленных в воде образцов с шагом через 30 °С (рис. 2).
Исследование фазового состава сплава ВТИ-4 с 11,5% мас. А1 выявило следующее:
• переход из трехфазной (О + Р(Д2 + В2) + а,2)-области
в двухфазную (Р(А2 + В2) + «2)-область осуществляется при температуре ~1010 °С;
• температура перехода из двухфазной (Р(А2 + В2) + «2)-области в однофазную Р(А2 + В2)-область составляет ~1100 °С;
• область существования упорядоченной РВ2~фазы находится в интервале температур 880-1170 °С, выше и ниже которого происходит процесс разупорядочения с образованием РА2-фазы.
Повышение содержания алюминия в сплаве ВТИ-4 с 11,5 до 13,0 % мас. обеспечивает сужение температурной области существования а,2-фазы на 115 °С за счет снижения температуры фазового превращения Р(А2 + В2) + а2 ^ Р(А2 + В2) и повышение температуры перехода РВ2-фазы в разупорядочен-ную РА2-фазу на 40 °С.
При этом снижение температуры фазового превращения р^2 + В2) + а2 ^ Р(А2 + В2) на 115 °С приводит к уменьшению количества дисперсной а2-фазы, границы раздела которой являются предпочтительными местами для зарождения новой фазы, что позволяет объяснить образование в слитках сплава ВТИ-4
.-•■'Л ч" ¿V. -V-
. • .. гГ
V у * - ■
, • ... ; ..л ■ ;•'. г" Щй .у**
у. ■■
10 мкм '. - - -Л - -
10 мкм
10 мкм
Рис. 2. Микроструктура образцов из интерметаллидного титанового сплава ВТИ-4 с 11,5 % мас. А1, закаленных с температуры 1110 (а), 1080 (б), 1020 (в) и 990 °С(г)
а
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
T, °C
Деформация
Выдержка (отжиг)
Рис. 3. Схема термомеханической изотермической деформационной обработки для изготовления штамповки из сплава ВТИ-4
с 13,0 % мас. А1 грубопластинчатой структуры внутри р-зерен.
Результаты такого определения температур фазовых областей позволили разработать термомеханическую схему и оптимальные параметры деформационной обработки в изотермическом режиме для изготовления штамповок из интерметаллидного сплава ВТИ-4 с 11,5 и 13,0 % мас. А1 (рис. 3). Заметим, что для проведения изотермической штамповки на обточенный слиток наносили защитное технологическое покрытие и ступенчато нагревали до температуры 1180 °С с выдержкой в течение 1,5 ч. Степень осадки слитков составляла 30 %. Дальнейшая деформационная обработка включала всесторонние перековы и вытяжку на круг с дополнительными подогревами при температурах двухфазной (Р(А2 + В2) + «2)-области и трех-
г
50 :
Рис. 4. Микроструктура штампованной в изотермических условиях заготовки из интерметаллидного титанового сплава ВТИ-4 после промежуточной деформации в двухфазной фд + В2) + ад)-области (а) и заключительной деформации в трехфазной (О + Рд + В2) + ад)-области (б)
фазной (О + ß(A2 + В2) + а,2)-области. Изотермические условия штамповки обеспечивались также нагревом бойков до 980 °С.
Микроструктура заготовок после деформационного цикла в двухфазной (ß(A2 + В2) + а2)~ области состоит из рекристаллизованных зерен равноосной формы с размером 100— 300 мкм (рис. 4, а). Проведение заключительной изотермической штамповки до толщины 40 мм в трехфазной (О + ß(A2 + В2) + а2)-облас-ти обеспечивает формирование глобулярных зерен ß-фазы размером 50-200 мкм с дисперсными частицами а2- и О-фазы, расположенными внутри и по границе зерен (рис. 4, б).
С целью определения влияния содержания алюминия на механические свойства де -формированного таким образом интерметаллидного титанового сплава ВТИ-4 из полученных штамповок были изготовлены и испытаны образцы на растяжение при 20 °С. Термическую обработку заготовок проводили по режиму: нагрев до температуры 890930 °С, выдержка 1-3 ч, охлаждение на воздухе с последующим нагревом до 800-850 °С и выдержкой в течение 7-12 ч [17].
По результатам проведенных испытаний установлено, что наибольшим значением кратковременной прочности (1240 МПа) при комнатной температуре обладает изотермически деформированный сплав с содержанием алюминия 13,0 % мас., однако значения относительного удлинения находятся на низком уровне (1,2 %). Но снижение содержания алюминия на 1,5 % мас. обеспечивает значительное повышение пластичности (относительное удлинение 7,0 %) при сохранении приемлемого уровня проч -ности сплава (1150 МПа).
Выводы
1. В целях разработки и реализации термомеханического режима изотермической штамповки с оптимальными параметрами проведены структурно-фазовые исследования интерметаллидного титанового сплава
X
a
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
ВТИ-4 с содержанием алюминия 11,5 и 13,0% мас. (23,0 и 25,5 % ат.). Установлено, что снижение содержания алюминия на 1,5 % мас. приводит к расширению температурной области существования а,2-фазы на 115 °С за счет повышения температуры фазового превращения Р(А2 + В2) + а2 ^ Р(А2 + В2) и к снижению температуры перехода РВ2-фазы в разупорядоченную РА2-фазу на 40 °С.
2. Установлено, что повышение температуры на 115 °С в области существования а2-фазы в сплаве ВТИ-4 с 11,5 % мас. А1 приводит к образованию в слитках благоприятной
для деформирования видманштеттовой структуры внутри первичных р-зерен.
3. Проведены механические испытания образцов из сплава ВТИ-4 с различным содержанием алюминия в литом и деформированном состояниях.Установлено,что снижение содержания алюминия на 1,5 % мас. обеспечивает получение в слитке высоких пластических свойств (относительное удлинение 7,0 %) и сохранение в деформированных полуфабрикатах достаточных прочностных свойств (кратковременная прочность 1150 МПа).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года // Авиационные материалы и технологии. 2012. № S. С. 7-17.
2. Тарасов Ю.М., Антипов В.В. Новые материалы ВИАМ - для перспективной авиационной техники производства ОАО «ОАК» // Авиационные материалы и технологии. 2012. № 2. С. 5-6.
3. Каблов Е.Н. Материалы и химические технологии для авиационной техники// Вестник Российской академии наук. 2012. Т. 82. № 6. С. 520-530.
4. Каблов Е.Н. Шестой технологический уклад // Наука и жизнь. 2010. № 4. С. 2-7.
5. Хорев А.И., Белов С.П., Глазунов С.Г. Металловедение титана и его сплавов. - М.: Металлургия, 1992. - 352 с.
6. Ночовная Н.А., Панин П.В., Кочетков А.С., Боков К.А. Современные жаропрочные сплавы на основе гамма-алюминида титана: перспективы разработки и применения // Металловедение и термическая обработка металлов. 2014. № 7. С.23-27.
7. Panin P., Nochovnaya N., Alexeev E., Kablov D.
On the problem of low-temperature ductility improvement of Ti-Al and Ti-Al-Nb based alloys / Proc. Int. Symposium on Gamma TiAl Alloys (ISGTA'14). San Diego. 2014. (CD).
8. Ночовная Н.А., Иванов В.И., Алексеев Е.Б., Кочетков А.С. Пути оптимизации эксплуатационных свойств сплавов на основе интерметалли-дов титана // Авиационные материалы и технологии. 2012. № S. С. 196-206.
9. Nochovnaya N., Ivanov V., Alexeev E., Izotova A. Opportunities of increase of mechanical properties of the deformed semi-finished products from Ti-Al-Nb system alloys / Proc. 12th World Conf. on Titanium (Ti-2011). 2011. V. 2. P. 1383-1386.
10. Ночовная Н.А., Панин П.В., Алексеев Е.Б., Боков К.А. Экономнолегированные титановые сплавы для слоистых металлополимерных композиционных материалов // Труды ВИАМ. 2014. № 11. Ст. 02 (viam-works.ru).
11. Пат. 2210612 РФ. Сплав на основе титана и изделие, выполненное из него // Каблов Е.Н., Иванов В. И., Анташев В.Г., Савельева Ю.Г. Опубл. 20.08.2003.
12. Ночовная Н.А., Панин П.В. Анализ остаточных макронапряжений в сварных соединениях титановых сплавов разных классов // Труды ВИАМ. 2014. № 5. Ст. 02 (viam-works.ru).
13. Каблов Д.Е., Панин П.В., Ширяев А.А., Ночовная Н.А. Опыт использования вакуумно-ду-говой печи А1_й УАЯ 1_200 для выплавки слитков жаропрочных сплавов на основе алюминидов титана // Авиационные материалы и технологии. 2014. № 2. С. 27-33.
14. Ночовная Н.А., Скворцова С.В., АнищукД.С., Алексеев Е.Б., Панин П.В., Умарова О.З. Отработка технологии опытного жаропрочного сплава на основе интерметаллида ^А1ЫЬ // Титан. 2013. № 4. С. 24-29.
15. Алексеев Е.Б., Ночовная Н.А., Скворцова С.В., Панин П.В., Умарова О.З. Определение технологических параметров деформации опытного жаропрочного сплава на основе интерметаллида Т^АИЧЬ // Титан. 2014. № 2. С. 36-41.
16. Алексеев Е.Б., Ночовная Н.А., Панин П.В. Исследование структуры и фазового состава опытного жаропрочного сплава на основе интерметаллида ^АИЧЬ в деформированном состоянии // Титан. 2014. № 4. С. 12-17.
17. Алексеев Е.Б., Ночовная Н.А., Скворцова С.В., Грушин И.А., Агаркова Е.О. Влияние термической обработки на структурно-фазовый состав и механические свойства титанового сплава на основе орто-фазы // Титан. 2014. № 4. С. 34-38.
