CC BY
353
МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 669.295:539.4
С. В. Жеребцов, С. А. Костюченко, Е. А. Кудрявцев, Г. А. Салищев
МЕХАНИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА УЛЬТРАМЕЛКОЗЕРНИСТОГО ДВУХФАЗНОГО ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ6, ПОЛУЧЕННОГО ВСЕСТОРОННЕЙ ИЗОТЕРМИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИЕЙ
Были изучены механические и технологические свойства двухфазного сплава с ультрамелкозернистой микроструктурой, полученной всесторонней изотермической деформацией. Установлено, что при комнатной температуре предел прочности и предел усталости ультрамелкозернистого материала на 16-33 % выше, чем у термоупрочненного сплава. Однако относительное удлинение при растяжении, ударная вязкость и характеристики трещиностойкости заметно снижаются с уменьшением размера зерен. Ультрамелкозернистая структура в сплаве ВТ6 позволяет осуществлять низкотемпературную сверпластическую формовку при 550 °С. Всестороння изотермическая деформация; ультрамелкозернистая структура; трещиностойкость; ударная вязкость; скорость роста усталостной трещины; вязкость разрушения; сверхпластичность
Двухфазный титановый сплав ВТ6 широко используется в авиастроении (в частности, для изготовления лопаток ГТД) из-за превосходной комбинации механических и технологических свойств. Снижение веса и габаритов изделий в случае значительного повышения механических свойств сплава может быть достигнуто измельчением микроструктуры до ультрамелко-зернистого (УМЗ, ё < 1 мкм) состояния [1, 2]. Объемные заготовки с УМЗ структурой могут быть получены методами, основанными на интенсивной деформационной обработке [1], в частности однородная структура с размером зерен менее 0,5 мкм в сплаве ВТ6 была достигнуты с использованием всесторонней изотермической деформации [3].
При этом ключевым для практического применения, но до сих пор еще слабоизученным остается вопрос о комплексе механических характеристик и границах применимости УМЗ
Контактная информация: 8(472)258-54-16 Результаты представленных исследований получены в рамках проекта «Создание технологий и промышленного производства узлов и лопаток газотурбинных двигателей с облегченными высокопрочными конструкциями для авиационных двигателей новых поколений», реализуемого в рамках Федеральной целевой программы по Постановлению № 218 Правительства РФ от 9 апреля 2010 года совместно ОАО «УМПО» и ФГБОУ ВПО УГАТУ.
С. А. Костюченко выражает благодарность за финансовую поддержку ФЦП «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, соглашение № 14.132.21.1590. Авторы выражают благодарность за финансовую поддержку программу ФЦП, ГК № 14.А18.21.0439
титановых сплавов. Это особенно актуально, учитывая возможное применение сплава ВТ6 в качестве «лопаточного» материала. Хорошо известно, что прочность, твердость, устойчивость многоцикловой усталости и сверхпласти-ческие свойства улучшаются с уменьшением размера зерна [1, 2]. В то же время значительное измельчение микроструктуры приводит к уменьшению свойств, связанных с пластичностью и вязкостью (относительное удлинение, ударная вязкость, сопротивление распространению трещины) из-за низкой способности таких материалов к деформационному упрочнению [2]. Поэтому важно установить численные значения основных механических и технологических характеристик УМЗ сплава ВТ6. Таким образом, цель данной работы - изучить механические и технологические свойства двухфазного титанового сплава ВТ6 с УМЗ микроструктурой, полученного всесторонней изотермической деформацией.
МАТЕРИАЛ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ МЕТОД
Использовался а + в титановый сплав ВТ6 состава: (в весовом проценте) 6.3 А1, 4.1 V, 0.18 Бе, 0.03 2г, 0.01 С, 0.18 О, 0.01 N. Материал был поставлен в виде горячекатаного прутка 040 мм; температура полиморфного превращения материала (при которой а + в ^ в) составляет 98 оС.
Ультрамелкозернистая микроструктура в сплаве была получена с помощью всесторонней изотермической деформации (ВИК), заключающейся в последовательной осадке и протяжки образца вдоль различных направлений [3].
Исходное состояние перед ВИД было получено закалкой в воду из ß-области (1010 С), при этом фиксировался a'-мартенсит. Размер a- и ß-частиц после ВИД зависит (при прочих равных условиях) от температуры деформации [4]. Минимальная температура ВИД составляла 475 °С при скорости 10-3 с-1, что дает размер a- и ß-частиц около 150 нм. Также были получены состояния с размером зерна до 500 нм для того, чтобы найти оптимальное соотношение между размером зерен и свойствами.
Высокопрочное УМЗ состояние сравнивалось с обычным термически упрочненным микрокристаллическим (МК) состоянием. Термическая обработка для повышения прочности состояла из закалки в воду с температуры 945 °С и отжига в течение 3 ч при 500 °С.
Испытания на растяжение проводили при комнатной температуре с постоянной скоростью
1 мм/мин. Для испытания на растяжение использовали цилиндрические образцы с размером рабочей части 0 3 X 18 мм, и плоские образцы с размером рабочей части 1,5 X 3 X 16 мм. Экспериментальные ошибки не превышали значений ±4,5 % для прочностных свойств и ±7 % для пластических свойств.
Ударную вязкость KCU, KCV и КСТ определяли с помощью метода Шарпи, используя образцы с размерами 10 мм х 10 мм х 55 мм.
Для повышения пластических свойств УМЗ сплав подвергали 2-этапному отжигу. Отжиг включал 1 ч выдержки при 550...600 °С с закалкой в воду, после чего каждый образец дополнительно выдерживается при 480 С в течение
2 ч. Первый этап был направлен на формирование стабильной субструктуры с пониженной плотностью дислокаций. Закалка в воду с температуры первого отжига фиксирует неравновесное состояние. При этом в ходе второго отжига можно было ожидать некоторый эффект старения в связи с формированием сегрегаций в границах зерен.
Микроструктура была исследована с помощью просвечивающего электронного микроскопа JEOL JEM-2100FX, и растрового электронного микроскопа FEI Quanta 600 FEG. Плотность дислокаций была измерена путем подсчета отдельных дислокаций внутри зерна/субзерна как минимум в шести отобранных произвольно изображениях ПЭМ для каждого образца при увеличении 150 тысяч раз.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Механические свойства УМЗ сплава ВТ6
Микроструктура сплава ВТ6 в УМЗ и МК состояниях показана на рис. 1. Микроструктура УМЗ сплава состоит из равноосных а- и Ь-частиц со средним размером зерна 300 нм (конечная температура деформации 550 °С) (рис. 1, а). МК состояние состоит из первичных а-частиц в превращенной ^-матрице (рис. 1, б). Размер а-частиц составляет около 6 мкм, а средний размер между соседними а-час-тицами составляет примерно 18 мкм. Микроструктура и свойства термоупрочненного сплава ВТ6 известны и обобщены в ряде публикаций
[5, 6].
Влияние размера зерна на прочность и пластичность сплава, показано в табл. 1. Уменьшение размера зерна с 500 до 150 нм, приводит к значительному увеличению прочности и некоторому снижению общей пластичности. Сплав после ВИД при 475 °С (150 нм) показал максимальную прочность 1400 МПа, что соответствует самому высокому уровню прочности титановых сплавов [5, 6]. Однако снижение температуры ВИД связано с очевидными трудностями, вызванными низкой технологической пластичностью и очень высокой прочностью сплава. Деформация в интервале 550-600 оС (размер зерен 300-500 нм) также дает высокую прочность, которая все еще заметно выше, чем в МК состоянии (табл. 1).
Сопротивление усталостному разрушению сплава также существенно повышается при измельчении структуры. Значения с0 (для случая несимметричного цикла) составили 693 МПа для УМЗ состояния и 580 МПа для МК состояния (табл. 1).
Рис. 1. Микроструктура сплава ВТ6 в УМЗ (а) и МК(б) состоянии
Между тем общее удлинение и однородная деформация в УМЗ состоянии были довольно небольшими. Инженерные кривые напряжение-деформация УМЗ (размер зерен 300 нм) и МК
состояний показаны на рис. 2, а. УМЗ сплав показывает меньшее и общее удлинение, и деформацию до образования шейки даже по сравнению с термоупрочненным МК состоянием.
В то же время, после локализации деформации (однородная деформация в УМЗ сплаве около 0,5 %), когда удлинение осуществляется только за счет деформации в шейке, образец показывает дополнительные ~6,5 % удлинения. Кроме того, относительное сужение УМЗ образца почти в два раза выше, чем для МК состояния: 60 и 32 % соответственно (рис. 2, б, табл. 1). Таким образом, при некоторых «мягких» схемах деформации (прокатка, сжатие) в УМЗ состоянии может проявляться достаточно высокая пластичность, тогда как увеличение доли растягивающего напряжения снижет пластические свойства.
Т аблица 1
Механические свойства при растяжении УМЗ сплава Т1-6Л1-4У
Состояние сплава (размер зерна) / форма и размер рабочей части Ов, МПа МПа 5, % Ф, % 00, МПа
МК (10 мкм) / цилиндрический 03 мм 1050 960 9,0 32,0 580
УМЗ(150 нм) / плоский 1,5 х 3 мм 1400 1280 6,8
УМЗ (300 нм) / цилиндрический 03 мм 1300 1210 7,1 60,0 693
УМЗ(500 нм) / цилиндрический 05 мм 1220 1190 9,5 56,5
Такое поведение характерно для всех УМЗ материалов независимо от метода получения структуры и связано с низкой способностью к деформационному упрочнению [1, 2]. Другое проявление локализации деформации в УМЗ материалах связано с уменьшением пластической зоны перед вершиной трещины [7, 8]. Очевидно, что размер пластической зоны в вершине трещины зависит от размера зерен. Когда зерно равно или меньше пластической зоны, распространение пластической деформации связано с передачей напряжения через границу зерна. Поэтому наличие границ вблизи вершины трещины ограничивает объем пластической зоны, снижая тем самым энергию распространения трещины [8].
Эти предположения хорошо иллюстрируются результатами ударных испытаний образцов сплава с УМЗ и МК микроструктурами. Значения ударной вязкости, полученные на образцах с различными видами концентраторов (^-образный (КСи), К-образный (КСУ) и с введенной
усталостной трещиной (КСТ)) ожидаемо показывают, что увеличение остроты надреза снижают величину ударной вязкости. Однако если в МК состоянии при переходе от закругленного и-образного надреза к очень острому концентратору (радиус вершины усталостной трещины сравним с межатомным расстоянием) ударная вязкость уменьшается менее чем в 2 раза, то в УМЗ сплаве подобное изменение остроты надреза снижает ударную вязкость более чем в 4,5 раза. Когда для разрушения образца требуется сначала сформировать трещину, как в случае с и-образным надрезом, значения усталостной вязкости образцов для обоих состояний сплава находятся в пределах требований к авиационным титановым сплавам (КСи более 0,3). Однако, когда трещина уже сформирована и вся энергия затрачивается лишь на ее распространение, ударная вязкость УМЗ образца очень сильно уменьшается.
Деформация (удлинение), %
а
Истинная деформация (сужение)
б
Рис. 2. Инженерная кривая (а) и зависимость истинного напряжения течения от истинного сужения (б) при испытаниях на растяжение при комнатной температуре сплава ВТ6 в УМЗ и МК состояниях
Действительно, вязкость разрушения в УМЗ состоянии составляет 30,5 МПаУм (рис. 3, а), что несколько ниже, чем типичные значения для этого сплава (33-110 МПаУм [5]). Однако из представленных данных видно, что и вязкость разрушения и СРТУ (рис. 3, б) УМЗ состояния следует общей тенденции снижения характеристик трещиностойкости с увеличением прочности. При этом абсолютные величины вязкости разрушения и СРТУ вполне сравнимы с типичными высокопрочными состояниями сплава.
Т аблица 2 Ударная вязкость сплава ВТ6 в различных состояниях
Состояние Ударная вязкость, МДж/м2
кси ксу кст
УМЗ(500нм) УМЗ(500нм) + отжиг 0,37 0,18 0,08
625/650 °С 1 ч - - 0,12 / 0,17
МК(10 мкм) термоуп- 0,45 0,41 0,24
рочненное
ДК, МПа м1/2 б
Рис. 3. Вязкость разрушения (а) и СРТУ (б) сплава ВТ6 с УМЗ в сравнении с литературными данными [9]. В (а) под номером 1 приведены значения вязкости разрушения сплава ВТ6 в термоупрочненном состоянии (типичная кривая)
Наиболее очевидный способ увеличить область пластической деформации в вершине трещины и тем самым повысить работу, затрачиваемую на продвижение трещины, связан с отжигом материала, который бы снимал внутренние напряжения, не приводя к росту зерен. Действительно, отжиг УМЗ сплава ВТ6 при температуре 620 / 650 °С в течение 1 часа увеличивает КСТ в 2 раза (табл. 2).
Испытания на длительную прочность при температуре 300 °С за время 100 часов для двух состояний сплава УМЗ и МК показали, что, несмотря на полученные данные о снижении предела ползучести в УМЗ состоянии при повышении температуры с 250 до 350 °С [10], его длительная прочность при этой температуре 865 МПа оказалась выше, чем в МК образце -710 МПа.
Технологические свойства УМЗ титанового сплава ВТ6
В настоящее время в промышленности широкое распространение получили процессы на основе сверхпластичности (СП). Для определения оптимальных температурно-скоростных интервалов низкотемпературной СП были произведены механические испытания сплава ВТ6 с размером зерен 150 нм, по результатам которых были построены температурные и скоростные зависимости напряжения течения о, коэффициента скоростной чувствительности т, относительного удлинения 5 (рис. 4).
Представленные результаты показывают, что минимальная температура проявления эффекта СП составляет 550 °С, что существенно (примерно на 350 °С) ниже температур СП формовки, используемых в промышленности. Следует отметить, что найденная минимальная температура в среднем на 50-100 оС ниже, чем в аналогичных работах, при том, что полученное в данной работе удлинение существенно больше: 1000 % при 550 °С при скорости деформации 2 х 10-4 с-1 (рис. 4, б), тогда как, например, в работе [11] при 600 °С лишь 215 % при меньшей скорости деформации 1 х 10-4 с-1. Величина коэффициента скоростной чувствительности т в нашем случае достигла 0,49 (рис. 4, б), что позволило считать оптимальными следующие условиями низкотемпературной СП: скорость 2 х 10-4 с-1 при температуре 550 оС.
Таким образом, создание УМЗ структуры в сплаве ВТ6 дает возможность реализовать низкотемпературную СП формовку при 550 °С. Сверхпластическая формовка при столь низкой
а
температуре позволяет сохранять высокий уровень прочностных и пластических характеристик в отформованных деталях с УМЗ структурой.
Температура, оС
а
Скорость деформации, с-1 б
Рис. 4. Механические свойства УМЗ сплава ВТ6 при СП деформации: а - температурная зависимость напряжения течения и относительного удлинения построенная при скорости деформации 5 х 10-4 с-1; б - Скоростная зависимость, построенная при Т = 550 оС
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Валиев Р. З., Александров И. В. Объемные наноструктурные металлические материалы: получение, структура и свойства. М.: ИКЦ «Академкнига», 2007. 398 с.
2. Meyers M. A., Mishra A., Benson D. J. Mechanical properties of nanocrystalline materials // Progr. Mater. Sci., 2006. 51. P. 427-556.
3. Production of submicrocrystalline structure in large-scale Ti-6Al-4V billet by warm severe deformation processing / S. V. Zherebtsov [et al.] // Scripta Mater. 2004. Vol. 51. P. 1147-1151.
4. Формирование субмикрокристаллической структуры в титане и титановых сплавах и их механические свойства / Г. А. Салищев [и др.] // МиТОМ, 2006. № 2. С. 19-26.
5. Leyens C., Peters M. (Eds.) Titanium and Titanium Alloys. Fundamentals and Applications, Wiley-VCH Verlag GmbH, Weinheim, 2003.
6. Lutjering G., Williams J. C. Titanium, SpringerVerlag, Berlin/Heidelberg, 2007.
7. Rabinovich M. Kh., Markushev M. V. Influence of fine-grained structure and superplastic deformation on the strength of aluminium alloys // J. Mater. Sci. 1996. Vol. 31. P. 4997-5001.
8. Meyers M. A., Chawa K. K. Mechanical Behavior of Materials. Cambridge University Press, New York, 2009.
9. Ильин А. А., Колачев Б. А., Полькин И. С. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства. Справочник. М. :ВИЛС-МАТИ, 2009. 520 c.
10. Mechanical properties of Ti-6Al-4V titanium alloy with submicrocrystalline structure / S. Zherebtsov [et al.] // Mater. Trans. 2005. Vol. 46, 9. P. 2020-2025.
11. Low-Temperature Superplasticity of Ultra-FineGrained Ti-6Al-4V Processed by Equal-Channel Angular Pressing / Y. G. Ko [et al.] // Metall. Mater. Trans. A, Vol. 37A (2006). P. 391-405.
ВЫВОДЫ
Были изучены механические свойства двухфазного ВТ6 сплава в УМЗ состоянии, полученные в результате ВИД и в термоупрочненном состоянии. Было установлено, что прочность УМЗ состояния на 33 %, чем в МК состоянии (1400МПа и 1050МПа соответственно). Однако пластичность и связанные с ней свойства, в том числе относительное удлинение при растяжении, ударная вязкость и трещиностойкость понизились с уменьшением размера зерна. Любое заметное увеличение пластичности, связанное с отжигом, сопровождается разупрочнением материала по сравнению с термоупрочненным МС состоянием. Также в материале с УМЗ структурой наблюдается низкотемпературная сверхпластичность, оптимальное условие протекания которой: Т = 500 оС, скорость деформации 2 х 10-4 с-1, что дает возможность сохранять высокий уровень прочностных и пластических характеристик в отформованных деталях.
ОБ АВТОРАХ
Жеребцов Сергей Валерьевич, доц. каф. материаловедения и нанотехнологий, ст. науч. сотр. лаб. объемн. наност-руктурн. материалов ФГАОУ ВПО НИУ «БелГУ». Дипл. инженер-механик (УГАТУ, 1995). Канд. техн. наук. Иссл. в обл. деформационной и термическ. обработки металлов и сплавов, эволюции структуры и механическ. поведения металлическ. материалов в процессе больших пластических деформаций.
Салищев Геннадий Алексеевич, проф. той же каф. рук. той же лаб. Д-р техн. наук. Иссл. в обл. деформационной и термическ. обработки металлов и сплавов, эволюции структуры и механическ. поведения металлических материалов в процессе деформации до больших степеней.
Костюченко Сергей Александрович, асп. ФГАОУ ВПО НИУ «БелГУ». Иссл. в обл. деформационной и термическ. обработки металлов и сплавов, повышения пластическ. характеристик высокопрочных титановых сплавов.
Кудрявцев Егор Алексеевич, асп. ФГАОУ ВПО НИУ «БелГУ». Иссл. в обл. деформационной и термическ. обработки металлов и сплавов, низкотемпературн. сверхпластичности титановых сплавов.
