CC BY
20
УДК 621.785.532
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕРМОЦИКЛИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА СПЕЧЕННЫЕ ПСЕВДО-а-ТИТАНОВЫЕ
СПЛАВЫ
А.В. Ляхов, В.Н. Гадалов, И. А. Макарова, Е.А. Ельников, Р.Ю. Ерохин, А.Е. Гвоздев, С.Н. Кутепов, О.В. Пантюхин
На основании анализа работы специзделия и его конструктивных особенностей, а также исследования двойных и более сложных композиций разработан порошковый конструкционный материал на основе титана. Спеченный сплав обладает повышенным комплексом физико-механических свойств за счет введения легирующих компонентов и удовлетворительными служебными характеристиками, обусловленными выбором соответствующей термической обработки. Показано, что в результате, а именно многократных a«ß-переходов в спеченном титановом сплаве Ti2Äl2Mo образуется стабильная полигонизованная структура, при этом имеет место повышение усталостной прочности псевдо-aспеченных титановых сплавов.
Ключевые слова: титановый сплав, порошковый материал, термоциклическая обработка.
Высокий уровень рационального синтеза материалов с заданными свойствами достигнут в практике создания материалов специальной техники. Важнейшей предпосылкой к осуществлению синтеза материалов с наперед заданными свойствами является наличие достаточно гибкой и универсальной по возможности технологической схемы их производства. Этим требованиям в наибольшей мере удовлетворяет порошковая металлургия. Только с материалами и средствами порошковой металлургии существует возможность объединить в одном изделии требуемого строения любые вещества и материалы независимо от их природы и природы их взаимодействия с таким расчетом, чтобы их оптимальным сочетанием в готовом изделии реализовать требуемый комплекс свойств.
Как известно, основную роль в улучшении эксплуатационных свойств при высоких температурах играет не столько концентрация дислокаций, сколько устойчивость их конфигураций, то есть образование упорядоченных полигонизованных дислокационных структур. Традиционные методы получения полигонизованных структур, включающие комбинации малых пластических деформаций и нагрева, мало применимы для порошковых изделий. Поэтому особый интерес представляет возможность получения стабильной полигонизованной субструктуры, образующейся в результате лишь термической обработки за счет относительно небольших внутренних напряжений, возникающих в кратных фазовых превращениях. Титан и его сплавы по своей природе обладают особенно благоприятными возможностями реализации процесса полигонизации при полиморфном превращении. В этой связи одним из наиболее перспективных путей по-
219
вышения механических свойств компактных титановых сплавов является термическая обработка, включающая многократные фазовые переходы -термоциклическая обработка (ТЦО) [1]. Принципиальная возможность применения этого вида термической обработки для получения полигони-зованной структуры в а-титане показана в работах [2 - 4].
Цель настоящей работы - подтвердить возможность получения по-лигонизованной структуры в спеченных титановых сплавах, оценить целесообразность использования ТЦО, частично или полностью включающий интервал а « Р-превращения.
Для уменьшения пористости порошкового титанового сплава Т12Л12Мо была проведена дополнительная ТЦО в вакууме в окрестности температуры полиморфного превращения. Установлено увеличение относительной плотности спеченного сплава с 90...92 до 96...97 %, обусловленное сглаживанием и залечиванием пор за счет активизации диффузионных процессов. При этом термоциклическая обработка не только повышает на 15.20 % прочностные и пластические свойства спеченных титановых сплавов, но и существенно увеличивает предел выносливости до 30.35 %. Термоциклическая обработка оказывает значительное влияние на распределение легирующих компонентов и примесей в окрестностях пор, что влияет на ряд других свойств, в частности, технологических. Для раскрытия природы превращений, протекающих в спеченных титановых сплавах при ТЦО, были проведены исследования дислокационной структуры.
Однако для определения оптимальных режимов получения устойчивых полигонизованных структур в спеченных а-псевдосплавах на основе титана необходимо провести комплексное исследование с привлечением тонких методов (электронная микроскопия, внутреннее трение и др.) для изучения механизма образования стабильной субзеренной структуры в условиях ТЦО.
В лабораторных условиях ТЦО осуществлялась на установке ИМАШ-20-75 «АЛАТОО» прямым пропусканием тока через ненагружен-ный образец в вакууме 1x10-4 мм рт. столба остаточного давления. Скорость нагрева изменялась от 3.5 °С/с, охлаждения - от 1.3 °С/с соответственно, без изотермических выдержек при минимальной (800 °С) и мак-симальной(1000 °С) температурах. Длительность одного цикла изменялась в интервале 100.250 с.
При ТЦО в интервале полного полиморфного превращения пластины а-фазы разбиваются разветвленной сетью субграниц на субзерна шириной 1.1,5 мкм и длиной 20.25 мкм. Это доказывает, что в процессе полигонизациипри ТЦО определяющую роль играет фазовый наклеп, повышение подвижности дефектов и другие факторы, возникающие в спеченном титане именно при полиморфном превращении.
220
Для изучения влияния числа циклов на степень совершенства образующейся субструктуры были проведены исследования изменения тонкой структуры спеченного сплава Т12Л12Мо после разного числа циклов: 1, 2, 4, 6, 8, 10, 20, 40.
Анализ тонкой структуры (рис. 1, а) после двух-четырех циклов а«Ь показывает, что процесс полигонизации только начинается. Электронно-микроскопическими исследованиями выявлено (рис. 1, а), что только отдельные пластины а-фазы разбиты на субзерна единичными относительно короткими субграницами. После 6 циклов образующиеся субзерна еще не полностью замкнуты и лишь после 8 - 10 циклов субграницы образуют густую, весьма совершенную сеть. Субструктура после 20 и 40 циклов качественнооднотипна со структурой, возникающей после 10 циклов (рис. 1, б - г).
а *1800 б *1800
в *1800 г *1800
Рис. 1. Влияние числа циклов ТЦО на степень совершенства субструктуры спеченного титанового сплава Т12Л12Мо: а - 4; б - 6; в - 8; г -10
Исследования разориентации субзерен - одного из факторов, определяющих стабильность полигонизованной структуры - показали, что углы разориентации субзерен имеют величину от 50 минут до 2,5.„3 градусов. Это хорошо согласуется с результатами, полученными на компактных образцах микрорентгеновским методом 2.4 градуса, и позволяет сделать вывод, что после ТЦО практически все границы в пачках а-пластин являются малоугловыми, которые, как известно, достаточно стабильны.
221
Металлографическими исследованиями установлено, что после 6 циклов ТЦО образуется пластинчатая структура типа корзиночного плетения с низкой пористостью, не превышающей 2 %. После 10 циклов ТЦО (рис. 1, г) остаточная пористость минимальна (не более 1 %), а изменения микроструктуры незначительны.
Исследования, проведенные с помощью электронной микроскопии, показали, что дополнительная стабилизация полигонизованной структуры спеченного титанового псевдо-а-сплава происходит непосредственно в процессе ее образования при ТЦО в результате взаимодействия дислокаций с примесями (рис. 2 - 4).
Рис. 2. Скопления примесей на дислокациях в процессе ТЦО спеченного титанового сплава Т12А12Мв (*40000)
Рис. 3. Взаимодействие дислокаций с примесями в условиях ТЦО спеченного титанового сплава Т12А12Мв (клубковая структура х60000)
Рис. 4. Образование сегрегаций атомов в области сплетения дислокаций в условиях ТЦО спеченного титанового сплава Т12А12Мв
(ячеистая структура х40000)
222
Взаимодействие примесей с дислокациями, образование их скоплений на них приводит к более равномерному их распределению в объеме, что повышает однородность спеченного материала.
Исследованиями амплитудно-зависимого внутреннего трения спеченного сплава Т12А12Мо установлено уменьшение tga = DQ-1/De в 1,5 -1,7 раза после ТЦО, что говорит о закреплении дислокационной структуры.
Таким образом, для обеспечения высокого сопротивления росту усталостной трещины необходимо создание дислокационных структур ячеистого или полигонального типа на пути движения трещины. При этом реализуется бороздчатый рельеф на поверхности трещины в стадии стабильного роста.
На основании результатов проведенных исследований и их анализа сделаны следующие выводы.
1. Установлено, что пористость заготовок порошкового сплава в пределах исследуемых факторов понижается с увеличением степени деформации, а понижение температуры заготовки (брикета), температуры штампа и времени нагрева повышает пористость порошкового изделия.
2. В результате термоциклической обработки, а именно многократных а « Ь переходов в спеченном титановом сплаве Т12А12Мо образуется стабильная полигонизованная структура, при этом имеет место повышение усталостной прочности спеченных псевдо-а-титановых сплавов.
3. Для получения порошковых деталей из титановых сплавов, работающих при небольших удельных нагрузках, целесообразно применять холодное прессование с последующим спеканием. Для высоко нагруженных деталей, которые должны иметь близкую к теоретической плотность (4,54 г/см3) при наименьшем содержании кислорода и азота, следует использовать различные виды горячего прессования заготовок в защитной среде аргона или вакууме.
Полученные результаты могут быть использованы при создании ресурсосберегающих технологий процессов обработки материалов с новыми нанокомпозиционными смазками и покрытиями [5 - 18].
Работа выполнена по проекту 11.6682.2017/8.9.
Список литературы
1. Болдырев Ю.В., Гадалов В.Н., Павлов Е.В. Исследование режимов термоциклического деформирования и термообработки псевдо-а-сплавов на основе титана // VII Междунар. науч.-техн. конф. «Медико-экологические информационные технологии - 2004»: сб. материалов Курск. Гос. техн. ун-т. 2004. С. 203 - 218.
2. Способ термической обработки титановых сплавов: а.с. № 571525. / Л.М. Мирский [и др.]. Заявл. 20.06.75. Опубл. 05.09.77. Бюл. № 33.
3. Получение субзеренной структуры в титановом (a+ß)-cnraBe в процессе многократного a+ß^ß превращения / С.З. Бокштейн, Л.М. Мир-ский, Н.П. Зюлина, О.В. Маркович // Известия АН СССР. Металлы, 1976. № 3.С. 118-123.
4. Термоциклическая обработка титановых сплавов Бокштейн С.З., Зюлина Н.П., Мирский Л.М. // Известия АН СССР. Металлы. 1978. № 6. С.200 - 203.
5. Вариант определения максимального пластического упрочнения в инструментальных сталях / Г.М. Журавлев, А.Е. Гвоздев, А.Е. Чеглов, Н.Н. Сергеев, О.М. Губанов // Сталь. 2017. № 6. С. 26 - 39.
6. On friction of metallic materials with consideration for superplasticity phenomenon / A.D. Breki, A.E. Gvozdev, A.G. Kolmakov, N.E. Starikov, D.A. Provotorov, N.N. Sergeyev, D.M. Khonelidze // Inorganic Materials: Applied Research. 2017. Т. 8. № 1. С. 126 - 129.
7. Противоизносные свойства пластичных смазочных композиционных материалов «ЛИТОЛ 24 - частицы гидросиликатов магния» / А.Д. Бреки, В.В. Медведева, Н.А. Крылов, А.Г. Колмаков, Ю.А. Фадин,
A.Е. Гвоздев, Н.Н. Сергеев, С.Е. Александров, Д.А. Провоторов // Материаловедение. 2017. № 3. С. 38 - 42.
8. Многоуровневый подход к проблеме замедленного разрушения высокопрочных конструкционных сталей под действием водорода /
B.П. Баранов, А.Е. Гвоздев, А.Г. Колмаков, Н.Н. Сергеев, А.Н. Чуканов // Материаловедение. 2017. № 7. С. 11 - 22.
9. Применение теории пластичности дилатирующих сред к процессам уплотнения порошков металлических систем / Э.С. Макаров, А.Е. Гвоздев, Г.М. Журавлев, А.Н. Сергеев, И.В. Минаев, А.Д. Бреки, Д.В. Малий // Чебышевский сборник. 2017. Т. 18. Вып. 4. С. 1 - 17.
10. Гвоздев А.Е., Журавлев Г.М., Сапожников С.В. К теоретическому анализу процесса компактирования порошковых материалов прессованием // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2017. Вып. 4. С. 273 - 283.
11. Механические свойства конструкционных и инструментальных сталей в состоянии предпревращения при термомеханическом воздействии / А.Е. Гвоздев, А.Г. Колмаков, О.В. Кузовлева, Н.Н. Сергеев, И.В. Тихонова // Деформация и разрушение материалов. 2013. № 11.
C. 39 - 42.
12. Особенности протекания процессов разупрочнения при горячей деформации алюминия, меди и их сплавов / А.Е. Гвоздев, А.Г. Колмаков, Д.Н. Боголюбова, Н.Н. Сергеев, И.В. Тихонова, Д.А. Провоторов // Материаловедение, 2014. № 6. С. 48 - 55.
13. Role of nucleation in the of first-order phase transformations / A.E. Gvozdev, N.N. Sergeyev, I.V. Minayev, A.G. Kolmakov, I.V. Tikhonova // Inorganic Materials: Applied Research. 2015. T. 6. № 4. P. 283 - 288.
224
14. Зависимость показателей сверхпластичности труднодеформи-руемых сталей Р6М5 и 10Р6М5-МП от схемы напряженного состояния / А.Е. Гвоздев, А.Г. Колмаков, Д.А. Провоторов, Н.Н. Сергеев, Д.Н. Боголюбова // Деформация и разрушение материалов, 2015. № 11. С. 42 - 46.
15. Многопараметрическая оптимизация параметров лазерной резки стальных листов / А.Е. Гвоздев, И.В. Голышев, И.В. Минаев, А.Н. Сергеев, Н.Н. Сергеев, И.В. Тихонова, Д.М. Хонелидзе, А.Г. Колмаков // Материаловедение. 2015. № 2. С. 31 - 36.
16. Расчет кластерной структуры расплава, ее влияние на образование наноаморфных твердых фаз и их структурную релаксацию при последующем нагреве / М.Х. Шоршоров, А.Е. Гвоздев, А.В. Афанаскин, Е.А. Гвоздев // Металловедение и термическая обработка металлов. 2002. № 6. С. 12 - 16.
17. Расчет деформационной повреждаемости в процессах обратного выдавливания металлических изделий / А.Е. Гвоздев, Г.М. Журавлев, А.Г. Колмаков, Д.А. Провоторов, Н.Н. Сергеев // Технология металлов. 2016. № 1. С. 23 - 32.
18. Бреки А. Д., Гвоздев А.Е., Колмаков А.Г. Использование обобщенного треугольника Паскаля для описания колебаний силы трения материалов // Материаловедение. 2016. № 11. С. 3 - 8.
19. Гетерогенное зарождение графита в углеродистых сталях при распаде цементита в процессе ТЦО вблизи точки А0 / А.Е. Гвоздев, А.Г. Колмаков, А.В. Маляров, Н.Н. Сергеев, И.В. Тихонова // Материаловедение. 2013. № 10. С. 48 -52.
20. Условия проявления нестабильности цементита при термоцик-лировании углеродистых сталей / А.Е. Гвоздев, А.Г. Колмаков,
A.В. Маляров, Н.Н. Сергеев, И.В. Тихонова, М.Е. Пруцков // Материаловедение. 2014. № 10. С. 31 - 36.
21. Гвоздев А.Е., Журавлев Г.М., Колмаков А.Г. Формирование механических свойств углеродистых сталей в процессах вытяжки с утонением // Технология металлов. 2015. № 11. С. 17 - 29.
22. Влияние деформационной повреждаемости на формирование механических свойств малоуглеродистых сталей / Г.М. Журавлев, А.Е. Гвоздев, Н.Н. Сергеев, Д.А. Провоторов // Производство проката 2015. № 12. С. 9 - 13.
23. Постановка задачи расчета деформационной повреждаемости металлов и сплавов / Г.М. Журавлев, А.Е. Гвоздев, Н.Н. Сергеев,
B.И. Золотухин, Д.А. Провоторов // Производство проката. 2015. № 10. С. 18 - 26.
24. Роль процесса зародышеобразования в развитии некоторых фазовых переходов второго рода / А.Е. Гвоздев, Н.Н. Сергеев, И.В. Минаев, И.В. Тихонова, А.Г. Колмаков // Материаловедение. 2015. № 1. С. 15 - 21.
225
25. Распределение температур и структура в зоне термического влияния для стальных листов после лазерной резки / А.Е. Гвоздев, Н.Н. Сергеев, И.В. Минаев, А.Г. Колмаков, И.В. Тихонова, А.Н. Сергеев, Д. А. Провоторов, Д.М. Хонелидзе, Д.В. Малий, И.В. Голышев // Материаловедение. 2016. № 9. С. 3 - 7.
Ляхов Андрей Владимирович, канд. техн. наук, заместитель директора, lyakhov.andrei@yandex.ru, Россия, Курск, ОБПОУ «Курский электромеханический техникум,
Гадалов Владимир Николаевич, д-р техн. наук, профессор, gadalov-vn@yandex.ru, Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет,
Макарова Ирина Александровна, аспирантка, makarova. mia@yandex. ru, Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет,
Ельников Евгений Александрович, аспирант, _jamyaer@yandex.ru, Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет,
Ерохин Роман Юрьевич, аспирант, Don_filius@,mail. ru, Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет,
Гвоздев Александр Евгеньевич д-р техн. наук, профессор, gwozdew.alexandr2013@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Кутепов Сергей Николаевич, канд. пед. наук, kutepov. sergei@mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Пантюхин Олег Викторович, канд. техн. наук, доцент, gwozdew.alexandr2013@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
STUDY OF THE INFLUENCE OF THERMOCYCLIC TREATMENT ON THE SINTERED
PSEUDO-a- TITANIUM ALLOYS
A.V. Lyakhov, V.N. Gadalov, I.A. Makarova, E.A. Elnikov,R.Yu. Erokhin, A.E. Gvozdev,
S.N. Kutepov, O. V. Pantyukhin
Based on the analysis of the work of special products and its design features, as well as the study of double and more complex compositions developed powder-based structural material based on titanium. Sintered alloy has an increased complex of physical and mechanical properties due to the introduction of alloying components and satisfactory performance due to the choice of appropriate heat treatment (TCO). It is shown that as a result of TP, namely multiple a«b - transitions in sintered titanium alloy Ti2Al2Mo, a stable polygonized structure is formed, while the fatigue strength ofpseudo-sintered titanium alloys is increased.
Key words: titanium alloy, powder material, thermocyclic treatment.
Lyakhov Andrey Vladimirovich, candidate of technical science, deputy director, lyakhov. andrei@yandex. ru. Russia, Kursk, Kursk Electromechanical College,
226
Gadalov Vladimir Nikolaevich, doctor of technical science, professor, gadalov-vn@yandex.ru, Russia, Kursk, Southwest State University,
Makarova Irina Aleksandrovna, postgraduate, makarova. mia@yandex. ru, Russia, Kursk, Southwestern State University,
Yelnikov Yevgeny Aleksandrovich, postgraduate, jamyaer@yandex.ru, Russia, Kursk, Southwestern State University,
Erokhin Roman Yur'yevich, postgraduate, Don filius a mail. ru, Russia, Kursk, Southwestern State University,
Gvozdev Aleksandr Evgen'yevich, doctor of technical sciences, professor, gw ozdew. alexandr2 013@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,
Kutepov Sergey Nikolaevich, candidate of pedagogical science, kute-pov. sergei@mail. ru, Russia, Tula, Tula State Leo Tolstoy Pedagogical University,
Pantjuhin Oleg Viktorovich, candidate of technical science, docent, gwoz-dew. alexandr2 013@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 536.21
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА ПРИ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЯХ
КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ВЫСОКИХ
ТЕМПЕРАТУРАХ
В.Ф. Формалев, С. А. Колесник, Е.Л. Кузнецова
Моделируется тепломассоперенос в композиционных материалах при высоких температурах (>600 К) в условиях фазовых превращений связующих композиционных материалов с образованием пористого коксового остатка и пиролизных газов, фильтрующихся через пористый остаток. Разработана математическая модель и метод аналитического решения по определению температурного поля в обеих фазах, разделяемых подвижной границей фазовых превращений. Для определения координат и скорости подвижной границы выведено трансцендентное уравнение на основе аналитических решений задач теплопроводности в обеих фазах. Получены и проанализированы результаты аналитического решения.
Ключевые слова: температурное поле, фазовые превращения, зона пиролиза, фильтрация, пористый остаток, пиролизные газы.
Композиционные материалы (КМ) активно используются в качестве теплозащитных и конструкционных. Теплозащитные КМ поглощают большое количество тепловой энергии от аэродинамического нагрева в результате следующих физико-химических процессов, происходящих в КМ
