CC BY
40
УДК 669.295
DOI: 10.24412/0321-4664-2021-2-63-75
МОДЕЛИРОВАНИЕ СОСТАВА И СВОЙСТВ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ПРИ КОМНАТНОЙ И ПОВЫШЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ
Игорь Степанович Полькин1, докт.техн.наук, Юлия Борисовна Егорова2, докт.техн.наук,
Людмила Владимировна Давыденко3, канд.техн.наук
1 Всероссийский институт легких сплавов, Москва, Россия, info@oaovils.ru
2 Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), Ступинский филиал, Ступино, Россия, egorova_mati@mail.ru
3 Московский политехнический университет, Москва, Россия
Аннотация. Обобщены результаты статистических исследований химического состава, температуры полиморфного превращения и механических свойств полуфабрикатов из титановых сплавов за 50 лет с 1970 по 2020 гг. Статистически обосновано современное типичное содержание легирующих элементов и примесей серийных полуфабрикатов в перерасчете на эквиваленты по алюминию и молибдену и их технологический разброс. Разработаны методы моделирования химического состава и прогнозирования механических свойств на основе эквивалентов по алюминию и молибдену при температурах 20-1200 °С. Приведены примеры их практического использования для обеспечения состава и свойств полуфабрикатов.
Ключевые слова: титановые сплавы, полуфабрикаты, химический состав, эквиваленты по алюминию и молибдену, механические свойства, моделирование, прогнозирование
Modeling of Composition and Properties of Titanium Alloys at Room and Elevated Temperatures. Dr of Sci. (Eng.) Igor S. Polkin1, Dr of Sci. (Eng.) Yulia B. Egoro-va2, Cand. of Sci. (Eng.) Lyudmila V. Davydenko3
1 All-Russian Institute of Light Alloys, Moscow, Russia, info@oaovils.ru
2 Moscow Aviation Institute (National Research University), Stupino Branch, Stupino, Russia, ecjorova_mati@mail.ru
3 Moscow Polytechnic University, Moscow, Russia
Abstract. The results of statistical studies of the chemical composition, polymorphic transformation temperature and mechanical properties of semi-finished products from titanium alloys are summarized for 50 years - from 1970 to 2020. The current typical content of alloying elements and impurities in serial semi-finished products in terms of aluminum and molybdenum equivalents and their manufacturing tolerance was statistically derived. Methods for modeling the chemical composition and predicting mechanical properties were developed based on the aluminum and molybdenum equivalents at 20-1200 °C. Examples of their practical use to ensure the composition and properties of semi-finished products are given.
Key words: titanium alloys, semi-finished products, chemical composition, equivalents for aluminum and molybdenum, mechanical properties, modeling, prediction
Введение
К настоящему времени для различных областей авиационной техники разработаны высокопрочные, жаропрочные и конструкционные титановые сплавы с различным уровнем
прочности. Необходимость повышения эксплуатационных свойств и срока службы авиационной техники стимулирует поиск и создание новых материалов и технологий производства полуфабрикатов и изделий из них. При разработке нового двигателя или планера самоле-
та конструктору в первую очередь требуется материал с повышенным уровнем свойств при рабочих температурах. Основным средством их достижения является рациональный выбор химического состава сплава определенного класса с присущими ему свойствами.
До настоящего времени разработка практически всех титановых сплавов осуществлялась путем перебора различных комбинаций легирующих элементов и установлением связей «химический состав - свойства». Вместе с тем, за годы исследования титана и его сплавов накоплен значительный экспериментальный, теоретический и практический материал, который можно использовать для разработки методов моделирования состава сплавов с заданными характеристиками.
С 2007 г. ВИЛС совместно с МАИ и Московским политехом проводит комплексные статистические исследования химического состава, температуры полиморфного превращения (Тпп) и механических свойств полуфабрикатов из титановых сплавов, изготовленных на разных предприятиях. К настоящему времени проведена всесторонняя статистическая обработка литературных данных и результатов производственных испытаний полуфабрикатов, изготовленных по серийным технологиям на СТК, СМК, ВСМПО, СМПП, ЗМЗ, Криворожском тур-
бинном заводе «Восход», ОАО «Ижорские заводы», ЦНИИ КМ «Прометей» в период с 1970 по 2020 гг. Основные результаты исследований, опубликованные в работах [1-4], показали, что данные производственных испытаний и промышленного контроля можно эффективно использовать не только для мониторинга качества промышленной продукции по широкому диапазону показателей, но и для моделирования состава и свойств полуфабрикатов.
Цель настоящей работы состояла в разработке методов моделирования сплавов на основе статистического прогнозирования свойств различных полуфабрикатов из титановых сплавов в зависимости от химического состава.
Объекты и методы исследования
В качестве литературных источников были использованы монографии, труды и презентации международных конференций, справочники и сборники, издаваемые в ВИЛСе и ВИАМе, а также оригинальные работы, главным образом, с сайта ВИАМа, статьи из журналов «Технология легких сплавов» (ВИЛС) и «Титан» (Межгосударственная ассоциация «Титан»), являющихся носителями наиболее важных сведений по титану и его сплавам, например [5-21] и др. Объектами исследова-
Объекты исследования Таблица 1
Марка сплава Вид полуфабриката Число полуфабрикатов разных плавок Число образцов
ВТ1-00, ВТ1-0, Grade 2, Grade 4, ВТ5, ВТ5-1, СТ6, 3М, ПТ-7М, ОТ4-1, ОТ4-1В, ОТ4-0, ОТ4, ВТ6, Grade 5, Grade 23, ВТ3-1, ВТ8, ВТ9, ВТ16, ВТ22, ВТ25У, VST2K Слитки 0370, 480, 790, 840 мм 4242 12565
ВТ1-00, ВТ1-0, Grade 2, Grade 4, ВТ5, ВТ5-1, ОТ4-1, ОТ4-1В, ОТ4-0, ОТ4, ВТ6, Grade 5, Grade 23, ВТ3-1, ВТ8, ВТ9, ВТ16, ВТ22, ВТ25У Кованые прутки сечением 14 х 14 мм 2937 5874
ВТ5-1, Grade 5, ВТ23 Кованые прутки 070-90 мм 36 120
ВТ6 Катаные прутки 015-150 мм 69 148
VST2K Горячекатаные плиты толщиной 40 мм
ВТ1-0, ВТ5, ВТ5-1, ОТ4-0, ОТ4-1, ОТ4, ВТ6, ВТ3-1 Прессованные прутки 014-40 мм 102 204
ВТ6, ВТ3-1, Ti-10V-2Fe-3Al, VST5553 Штампованные поковки 2264 4271
ния послужили слитки и деформированные полуфабрикаты из титановых сплавов разных классов, изготовленные в период с 1970 по 2020 гг. (табл. 1). Все деформированные полуфабрикаты были подвергнуты термической обработке по заводским режимам. Степень легирования сплавов оценивали с помощью эквивалентов легирующих элементов и примесей по алюминию и молибдену [5]. Статистические исследования проводили с использованием ППП Stadia и Statistica.
литературных сведений и промышленных данных, содержащих более 4000 промышленных слитков титановых сплавов разных классов, для прогнозирования Тпп с доверительной вероятностью 0,95 были получены следующие модели:
Тпп = + 20СД| - 10Смо - 16ССг - 20CFe -
- 10СУ - 6СМЬ + 200С0 + 550СМ + 400С. (1)
Тпп = 'с + 20[Д1]экв - 10[Мо]Экв. (2)
Тпп = '0 + 20[Д1]экв - 10,3[Мо]экв -
- 0,23[Д1]!Экв + 0,44[Мо]2Экв. (3)
Прогнозирование температуры полиморфного превращения титановых сплавов
Температура полиморфного превращения (Тпп) является важной физической и технологической характеристикой титановых сплавов. Она определяет принципы их легирования и режимы технологических процессов обработки, связанных с нагревом. Температура полиморфного превращения зависит от химического состава сплава, т.е. от содержания легирующих элементов и чистоты шихтовых материалов. Для ее определения используют довольно трудоемкие способы такие, как метод пробных закалок, структурно-аналитический и др. Одним из возможных способов количественной оценки Тпп является статистический метод прогнозирования в зависимости от содержания основных компонентов и примесей. На основе обобщения
т °с
■'ГШ' ^
1000
800
600
ВТ6 ВТЗ-1 i^o О /
rrv oo oboiо о о о _ О Off-v^ SLO О ^^g о с о^ф \ BT22
k , BT1-0 >|чДв) О rfvi о о
BT16 0 о |Si О / """"-w я ooo /\0 BT35 о ^ W ^ы. ^s. \ О < ^ 10
BT32 о "V " 2
10
20
Рис. 1. Диаграмма Гпп - эквивалент по молибдену - эквивалент по алюминию при (0 = 882 °С; расчет по соотношению (2)
Сравнение фактических и расчетных значений Тпп слитков различных сплавов показало, что лежит чаще всего в интервале 880-890 °С. Статистические ошибки составляют 15-30 °С. В соответствии с результатами корреляционно-регрессионного анализа элементы, относящиеся к а-стабилизаторам, оказывают более сильное влияние на Тпп по сравнению с р-стабилизаторами. В соответствии с моделями (2) и (3) Тпп повышается на -20 °С с увеличением на 1 % суммарного содержания а-стабилизаторов и нейтральных упрочнителей, эквивалентного алюминию. Увеличение на 1 % мас. суммарного содержания р-стабилизаторов, эквивалентного молибдену, приводит к снижению Тпп на ~10 °С. На рис. 1 приведена диаграмма в координатах Тпп - эквивалент по алюминию - эквивалент по молибдену при = 882 °С, что соответствует титану высокой чистоты [5]. На диаграмме выделены области, характеризующие типичный разброс химического состава и Тпп для некоторых серийных титановых сплавов. На основе проведенных исследований было установлено, что из-за колебаний химического состава в пределах марки одного сплава Тпп может различаться от 30 до 100 °С, при этом около 20 % вариации Тпп обусловлено влиянием примесей. В связи с чем эту температуру необходимо знать для каждой плавки, так как она определяет термодеформационные режимы горячей обработки давлением, термомеханической и термической обработки.
зо
[Mb] 2,%
Статистические исследования влияния примесей на 7"пп и механические свойства титановых сплавов с 1970 по 2020 гг.
В последние годы кислород и углерод стали считать не вредными примесями, а полезными и дешевыми легирующими добавками, повышающими прочность титановых сплавов без существенного снижения пластичности (до определенных концентраций) [22-26]. В работе было проанализировано изменение содержания основных примесей в слитках титановых сплавов, не легированных кислородом, и содержание кислорода как легирующего элемента. Проведенные исследования показали, что в слитках, не легированных дополнительно кислородом и углеродом, за 50 лет существенно изменилось содержание примесей. Среднее содержание кислорода и азота наиболее сильно снижалось
в период с 1970-х по 2010-е гг.: с -0,11 до -0,06 % мас. и -0,02 до -0,01 % мас. соответственно (табл. 2).
Как и следовало ожидать, уменьшение содержания примесей привело к снижению не только температуры полиморфного превращения, но и временного сопротивления разрыву (в среднем на 50-100 МПа) по сравнению с 1970-ми гг. (табл. 3). Это может быть обусловлено повышением чистоты титановой губки и снижением ее твердости и предела прочности. Для того, чтобы компенсировать потерю прочности, большинство полуфабрикатов, изготовленных в 2000-2020 гг., были легированы алюминием по верхнему пределу диапазона легирования, а часть слитков была выплавлена с дошихтовкой рутилом. Например, в партии из 90 слитков сплава ВТ6 содержание кислорода изменялось от 0,1 до 0,2 %
Среднее содержание примесей* (% мас.) в слитках титановых сплавов выплавленных с 1970 по 2020 гг. без микролегирования кислородом Таблица 2 ,
Год С Fe Б1 О N [АОэкР [А'1экв
для примесей
1970 0,025 0,115 0,044 0,110 0,021 1,8 2,9
2000 0,023 0,127 0,042 0,074 0,014 1,4 2,4
2009-2011 0,022 0,090 0,030 0,060 0,010 1,0 1,9
2015-2020 0,020 0,100 0,030 0,055 0,011 1,0 1,7
* Н = 0,004-0,005 %, Zr = 0,01-0,02 %.
Таблица 3
Температура полиморфного превращения слитков титановых сплавов ВТ6 и ВТ3-1, выплавленных с 1970 по 2020 гг.
Сплав Год Число слитков О, % N % С, % Тпп, °С
ВТ3-1 1970-1980 348 0,12 0,020 0,025 990
2000-2005 67 0,055 0,010 0,020 972
2000-2010 278 0,12* 0,005 0,013 985
ВТ6 1970-1980 245 0,13 0,022 0,030 994
2005-2014 86 0,05 0,010 0,020 963
2000-2002 70 0,15* 0,010 0,020 995
2020 18 0,16* 0,009 0,003 990
* Микролегирование кислородом.
Таблица 4 Предел прочности прутков из титановых сплавов в отожженном состоянии
Число плавок ав, МПа
Сплав Год О, % А1, % N % минимальное по НД* минимальное по факту среднее по факту
ВТ6 1970 201 0,110 6,06 0,020 950 987 1048
2000 30 0,060 6,38 0,010 950 904 964
2000** 90 0,150 6,45 0,010 950 947 1000
2010** 10 0,200 6,32 0,010 950 953 1085
2020** 18 0,160 6,52 0,009 950 968 980
ВТ3-1 1970 778 0,120 6,03 0,022 1000 1072 1115
2000 95 0,060 6,56 0,01 1000 1067 1085
2010 53 0,055 6,48 0,01 1000 1033 1065
* В работе принято 1 кгс/мм2 = 10 МПа. ** Микролегирование кислородом.
при среднем значении -0,15 %. Это позволило повысить Тпп и предел прочности полуфабрикатов, изготовленных в 2000-2020 гг. и легированных кислородом, до значений, сопоставимых с данными 1970-1980-х гг. (табл. 3, 4).
Теоретические расчеты, подтвержденные результатами статистического анализа, показали, что легирование кислородом является эффективным способом повышения прочности сплавов при сохранении удовлетворительной пластичности. В области малых концентраций (до 0,15 %) повышение содержания кислорода на 0,1 % приводит к увеличению прочности на 125 МПа и снижению относительного удлинения на -5-10 % (по разным литературным данным). Если же кислород вводится как легирующий элемент (при концентрациях более 0,15 %), то его упрочняющее действие намного меньше: 0,1 % О повышает прочность на 70-90 МПа и снижает 5 на -2-3 %. Влияние углерода (в интервале до 0,1 %) меньше, чем кислорода: при введении 0,1 % прочность возрастает на 70 МПа, а 5 падает на 5 %. Эффект упрочнения от введения 0,1 % N выше, чем от введения кислорода и углерода, и составляет 200-250 МПа, но при этом удлинение довольно сильно снижается на -9-16 %, поперечное сужение - на 30-40 %. Такое сильное охрупчивание титана заставляет считать азот вредной примесью.
В настоящее время на предприятиях отрасли около половины всех выплавляемых
слитков легируется кислородом [26]. Однако это, в свою очередь, приводит к довольно существенным колебаниям примесей, особенно кислорода, и, соответственно, эквивалента по алюминию, что может привести к нестабильности свойств полуфабрикатов [22, 27] и должно быть учтено при моделировании состава и свойств сплавов. По результатам анализа содержания основных компонентов в слитках разных производителей было установлено, что величина статистического диапазона легирования (трехсигмового интервала 6Б) составляет: алюминий, ванадий, молибден, марганец -0,7-1,2 %; цирконий, хром, олово, железо -0,5-0,1 %; кремний -0,2-0,3 %, что соответствует -0,5-1,0 от поля допуска по нормативной документации. На основе обобщения литературных и производственных данных в табл. 5 приведены статистически обоснованные значения эквивалентов легирующих элементов и примесей по алюминию и молибдену и их разброс (трехсигмовый интервал) для некоторых серийных титановых сплавов, изготовленных с 2000 по 2020 гг. Проведенные исследования показали, что для промышленных полуфабрикатов эквивалент по молибдену совпадает с теоретическим, рассчитанным по номинальному составу. В то же время эквивалент по алюминию значительно выше номинального, что обусловлено влиянием примесей и, прежде всего, кислорода.
Таблица 5
Статистические значения эквивалентов легирующих элементов и примесей
по алюминию и молибдену титановых сплавов (2000-2020 гг.)
[А1]ЭКР, % [Мо]ЭКР, %
Сплав Среднее по Статисти- Статисти- Среднее по Статисти- Статисти-
номинальному ческий ческое номинальному ческий ческое
составу разброс* среднее составу разброс* среднее
ВТ6 7,0 7,0-10,0 8,5 3,2 2,5-4,0 3,5
ВТ3-1 7,3 7,0-9,0 8,0 6,3 5,0-7,0 6,0
ВТ22 6,0 5,5-7,5 6,5 12,7 11,0-13,5 12,5
VST5553 6,0 6,5-7,5 7,0 14,0 13,5-15,5 14,5
* Указан трехсигмовый интервал.
Сопоставление механических свойств титановых сплавов при комнатной температуре в зависимости от структурных эквивалентов по алюминию и молибдену
Для моделирования и разработки сплавов промышленного производства целесообразно установить граничные условия для предельного суммарного содержания легирующих элементов и примесей для того, чтобы выполнить два основных требования: 1) исключить образование а2-фазы; 2) обеспечить регламентируемые прочностные свойства при приемлемой пластичности, в частности относительного удлинения, которое в отожженном состоянии должно быть не менее 10 % в соответствии с различной НД. Для выполнения первого требования применяют условие Розенберга [5]:
[А1]ЭКР = %А1 + %8п/3 + %7г/6 + + 10[%О + %С + 2 %Ы] < 9 %.
(4)
Для выполнения второго требования необходимо установить оптимальные соотношения суммарного содержания а-, р-стабилизаторов и нейтральных упрочнителей. Для этого на основе обобщения литературных данных были исследованы статистические зависимости предела прочности и относительного удлинения отожженных прутков от структурных эквивалентов по алюминию и молибдену серийных и модельных сплавов а-, псевдо-а-, а + Р-, псевдо-р- и р-классов. Эквиваленты оценивали по номинальному марочному составу более
200 композиций отечественных и зарубежных сплавов. Предел прочности всех исследованных сплавов изменялся от 340 до 1520 МПа, относительное удлинение - от 3 до 45 % при [А1]Эткрв = 0,8-12,0 %; [Мо]Эткрв = 0-33,0 %. Для промышленных сплавов разброс свойств был значительно меньше и составлял: предел прочности от 370 до 1250 МПа, относительное удлинение от 8 до 37 % при [А1]Эткрв = 0,8-9,0 %; [Мо]Эткрв = 0-33,0 %.
С увеличением в сплавах суммарного содержания а-стабилизаторов и нейтральных упрочнителей наблюдается рост предела прочности при одновременном снижении относительного удлинения. В зависимости от структурного эквивалента по молибдену предел прочности сначала повышается, достигает максимума при [Мо]ЭТКв = 8-12 %, а затем снижается (рис. 2). Максимум прочности наблюдается для а + р-сплавов переходного класса, что соответствует закономерностям, установленным в работе [13]. Сплавы а- и псевдо-а-классов имеют более высокие характеристики пластичности из-за меньшей степени легирования по сравнению со сплавами других классов.
Из проведенного анализа следует, что для исключения образования а2-фазы и обеспечения гарантированного уровня относительного удлинения отожженных полуфабрикатов 5 1 10 % при комнатной температуре, эквиваленты [АI]ЭТКРв и [Мо^ТР не должны одновременно превышать -8,0 %, что должно быть учтено при моделировании титановых сплавов.
ав, МПа
1400
1000
600
6,% 30
20
10
¿У^ О __ ^......................12 %
— у' О 10%
/ О / ° / °о /о ° С О 0
у ° о 0 7 о х /о О о гу О 0 Т|ГТо--5—----------- 8 %
о ° х-оя. о/ В*-0 ~ ° Ж2 У* О ° о е °юо 1 ^-6%
9 о о -------/-4% и
Хо I / / !
I у! о/ у? \ ° о
У оооу / о \ 13°
в !/ / 1/°
в /о 8 / а + Р-
<9 / сплавы
ув переход-
а-, псевдо-а ного псевдо-Р и Р-сплавы
и а + р-сплавы I класса I I 1
0 10 20 30 [Мо]^,
- ° а-, псевдо-а и а + Р-сплавы о 1 а+р-сплавы псевдо-р и р-сплавы
8 ° О О О переходного
о\. О ^^ класса
О — Ю^Ч О ОЭО с Ч) СО О^^О О О о о с о ) о о о о ° 2% О13
° ° о N. <ц о о О о О О оО^ЪчЗОЮ О 03 о о э ОО оо о о о о ° о ° 12° ° ,4 % _____' О
0002^>да0а0 о О^Г ° 7 ° оо 11°
Ов °о 9, о о о — ч о о «Ъ ° "^^о 0 ^_О ° 9 О 8% 14 °
о — ц " ¡Оо ° О о
1 1 1 " [А1]жв - Ю % I
10
20
30
[Мо]Х%
Рис. 2. Диаграммы в координатах [Мо] ЭТВ - и [Мо] ЭКВ - 5 при разных значениях структурного эквивалента по алюминию [А1]ЭКВ ; цифры соответствуют сплавам:
1 - ВТ5-1; 2 - ВТ20; 3 - ВТ18У; 4 - ВТ41; 5 - ВТ6; 6 - ВТ3-1; 7 - ВТ23; 8 - ВТ16; 9 - ВТ22; 10 - ВТ22И; 11 - ВТ19; 12 - ВТ15; 13 - 4201; 14 - 4206 (отожженное состояние)
Прогнозирование механических свойств а-, псевдо-а- и а + р-титановых сплавов при комнатной температуре в зависимости от прочностных эквивалентов по алюминию и молибдену
в основном, на стадии обработки давлением.
Химический состав и механические свойства реальных полуфабрикатов могут значительно колебаться от плавки к плавке, поэтому были исследованы статистические зависимости механических свойств прутков и поковок от содержания легирующих элементов и примесей, структурных и прочностных эквивалентов на основе производственных испытаний и данных промышленного контроля разных сплавов после стандартного отжига [2-4]. Было установлено, что влияние каждого компонента незначительно и (или) незначимо из-за довольно узких пределов изменения по НД. В тоже время совместное влияние всех компонентов (в перерасчете на структурные и прочностные эквиваленты по алюминию и молибдену) обладает статистической устойчивостью, при этом корреляционная связь механических свойств с прочностными эквивалентами более сильная по сравнению со структурными. На основе статистического сопоставления различных массивов (всего более 6000 данных) к настоящему времени было установлено, что для различных полуфабрикатов после простого стандартного отжига а-, псевдо-а- и а + р-сплавов справедливы модели (с доверительной вероятностью 0,95 и статистическими ошибками 50 МПа и 3,0 %):
а расч = а о + (60 ± 5)[А1]
пр
тпр
При прогнозировании механических свойств титановых сплавов следует иметь в виду, что они зависят от химического и фазового состава, типа и параметров структуры, формируемой,
+ (50 ± 5) [Мо]Экв1 5расч =50 -(1,5±0,5)[А1]ЭКв -- (0,75 ± 0,25)[Мо]ЭКв.
(5)
(6)
Коэффициенты упрочнения в соотношении (5) не зависят от вида полуфабриката и не от-
личаются от ранее установленных Б.А. Кола-чевым с соавторами [5]:
а расч = 235 + 60[А1]ЭКв + 50[Мо]ЭРв. (7)
Однако сравнение теоретического и фактического предела прочности полуфабрикатов, полученных по промышленной технологии, показало, что расчет по соотношению (5) дает заниженные значения, так как оно характеризует только твердорастворное упрочнение атр сплавов. Свободные члены а0, 50 в соотношениях (5) и (6) зависят от конкретной технологии изготовления полуфабриката и могут быть определены на основе данных статистического контроля. В частности, по данным работы [3] свободный член а0 = 300 ± 25 МПа для отожженных прутков диаметром 8-14 мм из а-, псевдо-а-, а + р-сплавов. Проверка предложенных моделей показала хорошее соответствие расчетных и промышленных значений механических свойств исследованных полуфабрикатов.
На рис. 3 приведена диаграмма, позволяющая проводить теоретическую оценку твердораствор-ного упрочнения а-, псевдо-а- и а + р-сплавов на основе прочностных эквивалентов по алюминию и молибдену в сопоставлении со структурными эквивалентами. Условие Розенберга (4) тогда можно записать в следующем виде:
^Св = %А1 + %|п + %р + 3,3 %Si +
+ 20 %0 +12 %С + 33 %Ы < 13%.
Проведенный анализ показал, что для исключения образования алюминида титана и обеспечения удлинения не ниже 10 % прочностные эквиваленты [А1]ЭКв и [Мо]ЭРв не должны одновременно превышать -11-12 % и 7-8 % соответственно. Следует отметить, что применимость прочностных эквивалентов ограничена, так как их оценивают при условии аддитивности влияния на прочность легирующих элементов и примесей, так что их целесообразно применять для описания свойств только а-, псевдо-а-, а + Р-сплавов после простого отжига.
Как следует из вышеприведенного анализа, для получения заданного уровня прочностных свойств с увеличением содержания р-стабили-заторов необходимо меньшее количество эквивалентных алюминию элементов. Так, для обеспечения при 20 °С ав - 1000 МПа сплав должен иметь [А1]ЭКв - 10,0 % и [Мо]ЭКв - 3,5 % или [АСв - 6,0 % и [Мо]ЭКв - 7,5 % (рис. 3). Полученные модели позволяют проводить моделирование состава сплавов на основе прочностных эквивалентов по алюминию и молибдену при заданном уровне механических свойств при комнатной температуре.
16 14
о4
2 я
112 2
§ 10
0
в
и « 8 9
я 5
1 6
>8
Структурный эквивалент по молибдену, % 2 4 6
_
2
^__т> < О ■ ° Г-___ с о о
—с о о ° о
о о о о о о о о о 00 МПа
с оо о"--- __о *----- 1100 МПа
1 ° о о )00 МПа"
к "с 8 900 МПа )0 МПа-
4 00 МПа 500 Ша 600 М1 Та 7С >0 МПа
10
8 I
б и
>я §
§
01234567 8
Прочностной эквивалент по молибдену, %
Рис. 3. Прочностная диаграмма в координатах прочностной эквивалент по молибдену - прочностной эквивалент по алюминию при комнатной температуре (твердорастворное упрочнение в отожженном состоянии)
Прогнозирование прочностных свойств титановых сплавов в зависимости от эквивалентов по алюминию и молибдену при температурах 20-1200 °С
Для статистического анализа были использованы литературные данные, содержащие сведения о пределе прочности при температурах 20-1200 °С для 37 отечественных титановых сплавов при испытаниях на растяжение листов и прутков после стандартного отжига (при 20600 °С) и на осадку цилиндров в деформированном состоянии (при 600-1200 °С) [5-18]. С увеличением структурного
1200
1000
800
& ч
и
9 &
600
400
200
0
1200
1000
800
&
Ч и
9 &
600
400
и прочностного эквивалентов по алюминию наблюдается рост предела прочности титановых сплавов всех классов при температурах от 20 до 800-900 °С (рис. 4, а). Степень влияния а-стабилизаторов и нейтральных упрочните-лей на прочность сохраняется вплоть до температур 600 °С, а при более высоких температурах их действие ослабляется. При температурах р-области эквивалент по алюминию не оказывает существенного влияния на уровень прочности сплавов.
На зависимостях предела прочности от структурного эквивалента по молибдену наблюдается максимум и при испытаниях на растяжение, и при испытаниях на осадку (рис. 4, б). При этом его высота уменьшается с ростом температуры с 20 до 800 °С и при температурах 9001200 °С он исчезает. Начиная с температур 600 °С и выше наблюдается смещение максимума в сторону меньших значений эквивалента по молибдену.
При 20-800 °С с увеличением структурного и прочностного эквивалентов по молибдену с -0 до -5,0-8,0 % предел прочности повышается по практически прямолинейной зависимости, но угол наклона прямых уменьшается с ростом температуры. В отличие от а-стабилизаторов влияние р-стабилизаторов на прочность уменьшается с повышением температуры испытания с 20 до 600 °С. В интервале [Мо]ЭткВ > 8,0 % предел прочности при температурах 20-800 °С слабо снижается с увеличением содержания Р-стабилизаторов, а при температурах р-области (-9001200 °С в зависимости от марки сплава) он слабо зависит от эквивалентов по алюми-
нию и молибдену. Регрессионные модели для оценки предела прочности сплавов в зависимости от прочностных эквивалентов по алюминию и молибдену при некоторых температурах приведены в табл. 6.
-о- 20 °С -о- 300 °С -0- 600 °с -А- 800 °С -и- 1200"С о ' о ° \— —°- о < О □ о ^ )
о о ^^^ О ' □ □ о □ □ ^^ ЛГ ^ □ ]
о /о [ □ ° □ , _____ □ о О > п ■ п 1
о о □ 1 О > А
о ______ _____ □ и л
□ Г^О л ----- О _________ ^ ___1 Д 1 Ш-- > ДДА д 1 ■
ю
Структурный эквивалент по алюминию, % а
-о- 20 °С
-о- 300 °С
-О- 600 °с
-¡V 800 °С
-ш- 1200 °С
200 -
Структурный эквивалент по молибдену, % б
Рис. 4. Зависимость предела прочности титановых сплавов от структурных эквивалентов по алюминию и молибдену при испытаниях на растяжение при 20, 300, 600 °С (отожженное состояние) и на осадку при 800 и 1200 °С (деформированное состояние)
Таблица 6 Регрессионные зависимости предела прочности от прочностных эквивалентов по алюминию и молибдену при различных температурах для а-, псевдо-а- и а + р-сплавов с [А1] ЭКв = 2,0-15 %, [Мо]ЭРв = 0,1-8,0 %
Температура испытания, °С Регрессионная модель * R 5*, МПа
20 ав = 235 + 60 [А1]ЭРв + 50 [Мо]ЭРв 0,96 35
300 ав = 150 + 50 [А1]ЭРв + 33 [Мо]ЭРв 0,96 25
600 ав = 70 + 40 [А1]ЭРв + 12 [Мо]ЭРв 0,95 25
800 ав = 15 + 17 [А1]ЭРв - 10 [Мо]ЭКв 0,84 50
1000 ав = 3 + 3,6 [А1]ЭРв - 2,6 [Мо]ЭКв 0,72 10
1200 ав = 0,5 + 1,6 [А1]ЭРв - 0,9 [Мо]ЭРв 0,35 5
* Испытания на растяжение при температурах 20-600 °С (отожженное состояние); сжатие (осадку) при температурах 600-1200 °С (деформированное состояние). испытания на
Как следует из вышеприведенного анализа, для получения при 300 °С ав * 700 МПа сплав должен иметь [А1] ЭРв * 10,0 % и [Мо]^Кв * 1,5 % или [А1] ЭКв * 6,0 % и [Мо]ЭРв * 7,5 %. При температурах обработки давлением в а + р-обла-сти влияние р-стабилизаторов на прочность ослабляется и при температурах выше -800 °С увеличение эквивалента по молибдену начинает снижать прочностные свойства сплавов. Равный уровень прочности - 100 МПа имеют, например, сплавы с [А1]ЭРВ * 6,0 % и [Мо]^Кв * * 2,0 % или [А1]ЭРв * 8,0 % и [Мо]ЭРв * 5,0 %. На основе предложенных моделей можно обосновать химический состав сплава в зависимости от заданного уровня прочности, который является оптимальным для данных условий эксплуатации или обработки давлением и может быть оценен с помощью эквивалентов по алюминию и молибдену.
Комплексное легирование титановых сплавов
Проверка предложенных выше моделей показала приемлемое соответствие расчетных и реальных значений механических свойств исследованных полуфабрикатов. Однако для ряда сплавов наблюдаются существенные отклонения от фактических значений, что может быть обусловлено множеством факторов, в частности тем, что при прогнозировании не было учтен эффект комплексного легирования, теория кото-
рого разработана в ВИАМе А.И. Хоревым [19]. Легирование большим числом элементов приводит к получению лучших механических свойств, чем легирование малым числом элементов, но при более высокой концентрации. В результате этого достигается большее упрочнение а- и р-растворов и более хорошее сочетание прочности и пластичности сплавов.
На основе обобщения литературных данных [5-21] были исследованы статистические зависимости предела прочности и относительного удлинения отожженных прутков из 114 серийных отечественных и зарубежных сплавов а-, псевдо-а-, а + Р-, псевдо-р- и р-классов (рис. 5). С увеличением числа легирующих элементов с 0 до 9 предел прочности линейно возрастает, при этом относительное удлинение интенсивно снижается до 4 элементов, а потом практически не изменяется, сохраняясь на уровне в среднем 11-12 %. Была проведена корректировка свободного члена в соотношении (5) с учетом числа легирующих элементов пл.э, которая показала, что увеличение на один компонент приводит в среднем к повышению предела прочности на 5 МПа:
а о = 235 + 5,0л лэ. (8)
В табл. 7 сопоставлен теоретический предел прочности сплавов с одинаковыми эквивалентами по алюминию и молибдену, но с разным числом легирующих элементов. При 20 °С расчетное значение предела прочности сплава ВТ6
1300
1200
1100
« 1000
к 900
8
Б &
й
800
700
600
500
400
300
свойств без снижения характеристик пластичности путем моделирования состава комплексно легированных сплавов с помощью эквивалентов по алюминию и молибдену.
Выводы
4 6
Число легирующих элементов
8
10
Рис. 5. Зависимость предела прочности от числа легирующих элементов в а-, псевдо-а-, а + р-, псевдо-р- и р-титановых сплавах (отожженное состояние)
Таблица 7
Теоретический предел прочности титановых сплавов с [ДПЭКв = 9,8 %, [Мо]ЭКв = 2,4 % и разным числом легирующих элементов, расчет по соотношениям (5) и (8)
Число компонентов 2 4 6 8
ств, МПа 955 965 975 985
(с 2 легирующими компонентами) составляет 955 МПа. Гипотетические сплавы с теми же эквивалентами по алюминию и молибдену, но с большим числом элементов, будут иметь более высокий предел прочности: 965 МПа (при 4 компонентах) и 985 МПа (при 8 компонентах).
Выявленные закономерности открывают новые возможности повышения прочностных
1. На основе проведенных исследований предложены статистические модели для прогнозирования температуры полиморфного превращения в зависимости от химического состава, что позволяет обоснованно выбирать режимы термической обработки и горячей деформации.
2. Показана возможность моделирования состава сплавов на основе эквивалентов по алюминию и молибдену для достижения необходимых механических свойств при температурах от 20 до 1200 °С отожженных титановых сплавов разных классов (с доверительной
вероятностью 0,95 и статистическими ошибками, обусловленными технологическим разбросом).
3. Установлено, что комплексное легирование позволяет повысить прочностные свойства сплавов на 35-40 МПа без падения пластичности за счет увеличения числа элементов с 1 до 8-9.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Полькин И.С., Егорова Ю.Б., Давыденко Л.В.
Статистическая оценка свойств титановых сплавов // Технология легких сплавов. 2015. № 1. С. 27-37. 4.
2. Ильин А.А., Полькин И.С., Егорова Ю.Б., Давыденко Л.В. Об использовании эквивалентов легирующих элементов и примесей по алюминию и молибдену в производстве титановых сплавов // Титан. 2018. № 4. С. 11-19.
3. Egorova Yu.B., Uvarov V.N., Davydenko L.V., 5. Davydenko R.A. Use of Industrial Monitoring Results for Predicting Mechanical Properties of Titanium
Alloy Semiproducts // Metal Science and Heat Treatment. 2017. Vol. 59. № 5-6. Р. 377-383. Egorova Yu.B., Davydenko L.V., Belova S.B., Chi-bisova E.V. Forecasting Mechanical Properties of Forgings of VT6 and VT3-1 Titanium Alloys Depending on the Chemical Composition and Structure // Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 2018. Vol. 59. № 2. P. 148-156.
Ильин А.А., Колачев Б.А., Полькин И.С. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства. Справ. -М.: ВИЛС-МАТИ, 2009. - 520 с.
6. Производство титановых сплавов / Сб. статей. Вып. 4. - М.: ОНТИ. 1967. - 264 с.
7. Титан в промышленности / Сб. статей под ред. Глазунова С.Г. - М.: Оборонгиз, 1961. - 314 с.
8. Титан для народного хозяйства. - М.: Наука, 1976. - 288 с.
9. Производство титановых сплавов / Сб. статей. Вып. 5. - М.: ВИЛС, 1969. - 300 с.
10. Структура и свойства титановых сплавов. / Сб. статей под ред. Глазунова С.Г. и Хорева А.И. - М.: ОНТИ, 1972. - 198 с.
11. Применение титановых сплавов / Сб. статей под ред. Глазунова С.Г., Хорева А.И. - М.: ОНТИ, 1970. - 328 с.
12. Легирование и термическая обработка титановых сплавов / Сб. статей под ред. Туманова А.Т., Глазунова С.Г., Хорева А.И. - М.: ОНТИ, 1977. - 399 с.
13. Глазунов С.Г., Моисеев В.Н. Конструкционные титановые сплавы. - М.: Металлургия, 1974. - 368 с.
14. Авиационные материалы. Справ. в 9 т. / Под общ. ред. Туманова А.Т. Т. 5. Магниевые и титановые сплавы. - М.: ОНТИ, 1973. - 560 с.
15. Авиационные материалы. Справ. в 12 т. / Под общ. ред. Е.Н. Каблова. Т. 6. Титановые сплавы. -М.: ВИАМ, 2010. - 96 с.
16. Солонина О.П., Глазунов С.Г. Жаропрочные титановые сплавы. - М.: Металлургия, 1976. - 448 с.
17. Микляев П.Г. Механические свойства легких сплавов при температурах и скоростях обработки давлением. - М.: Металлургия, 1994. - 280 с.
18. http://viam-works.ru/ru/articles.
19. Хорев А.И. Комплексное легирование и термомеханическая обработка титановых сплавов. - М.: Машиностроение, 1979. - 228 с.
20. Materials Properties Handbook. Titanium Alloys / Ed. by R. Boyer, G. Welsch, E.W. Collings. - ASM International. The Material Information Society, 1994. - 1176 р.
21. Ночовная Н.А., Анташев В.Г., Ширяев А.А., Алексеев Е.Б. Выбор композиции нового жаропрочного титанового сплава с применением методов математического моделирования // Титан. 2015. № 1. С. 10-15.
22. Егорова Ю.Б., Давыденко Л.В., Чибисова Е.В., Белова С.Б. Прогнозирование 7пп промышленных слитков титановых сплавов по их химическому составу // Электрометаллургия. 2016. № 12. С. 6-14.
23. Ночовная Н.А., Исаичев А.В., Анташев В.Г. Проблемы создания экономичных титановых сплавов и пути их решения // Все материалы. Энциклопедический справочник. 2008. № 5. С. 10-15.
24. Кашапов О.С., Павлова Т.В., Калашников В.С., Попов И.П. О влиянии добавок углерода на механические свойства титанового псевдо-а-сплава // Вопросы материаловедения. 2019. № 2 (98). С. 27-38.
25. Паноцкий Д.А., Береславский А.Л. Использование углерода в качестве легирующего элемента для сплавов на основе титана // Титан. 2006. № 1 (18). С. 20-23.
26. Трубин А.Н., Пузаков И.Ю. Особенности распределения кислорода в слитках титановых сплавов // Титан. 2003. № 1. С. 20-21.
27. Egorova Yu.B., Davydenko L.V., Chibisova E.V., Belova S.B. Theoretical and Statistical Basis for Stability of Titanium Alloy Ti-6Al-4V Semiproduct Mechanical Properties // Metal Science and Heat Treatment. 2018. Vol. 60. Iss. 5-6. Р. 277-284.
REFERENCES
1. Polkin I.S., Yegorova Yu.B., Davydenko L.V. Statis-ticheskaya otsenka svoystv titanovykh splavov // Tekhnologiya lyogkikh splavov. 2015. № 1. S. 27-37.
2. Ilin A.A., Polkin I.S., Yegorova Yu.B., Davydenko L.V. Ob ispolzovanii ekvivalentov legiruyushchikh elementov i primesey po alyuminiyu i molibdenu v proizvodstve titanovykh splavov // Titan. 2018. № 4. S. 11-19.
3. Egorova Yu.B., Uvarov V.N., Davydenko L.V., Davydenko R.A. Use of Industrial Monitoring Results for Predicting Mechanical Properties of Titanium Alloy Semiproducts // Metal Science and Heat Treatment. 2017. Vol. 59. № 5-6. R. 377-383.
4. Egorova Yu.B., Davydenko L.V., Belova S.B., Chibisova E.V. Forecasting Mechanical Properties of Forgings of VT6 and VT3-1 Titanium Alloys Depending on the Chemical Composition and Structure // Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 2018. Vol. 59. № 2. P. 148-156.
5. Ilin A.A., Kolachev B.A., Polkin I.S. Titanovyye splavy. Sostav, struktura, svoystva. Sprav. - M.: VILS-MATI, 2009. - 520 s.
6. Proizvodstvo titanovykh splavov / Sb. statey. Vyp. 4. - M.: ONTI. 1967. - 264 s.
7. Titan v promyshlennosti / Sb. statey pod red. Glazu-nova S.G. - M.: Oborongiz, 1961. - 314 s.
8. Titan dlya narodnogo khozyaystva. - M.: Nauka, 1976. - 288 s.
9. Proizvodstvo titanovykh splavov / Sb. statey. Vyp. 5. -M.: VILS, 1969. - 300 s.
10. Struktura i svoystva titanovykh splavov. / Sb. statey pod red. Glazunova S.G. i Khoreva A.I. - M.: ONTI, 1972. - 198 s.
11. Primeneniye titanovykh splavov / Sb. statey pod red. Glazunova S.G., Khoreva A.I. - M.: ONTI, 1970. - 328 s.
12. Legirovaniye i termicheskaya obrabotka titanovykh splavov. / Sb. statey pod red. Tumanova A.T., Glazunova S.G., Khoreva A.I. - M.: ONTI, 1977. - 399 s.
13. Glazunov S.G., Moiseyev V.N. Konstruktsionnyye titanovyye splavy. - M.: Metallurgiya, 1974. - 368 s.
14. Aviatsionnyye materialy. Sprav. v 9 t. / Pod obshch. red. Tumanova A.T. T. 5. Magniyevyye i titanovyye splavy. - M.: ONTI, 1973. - 560 s.
15. Aviatsionnyye materialy. Sprav. v 12 t. / Pod obshch. red. Ye.N. Kablova. T. 6. Titanovyye splavy. - M.: VIAM, 2010. - 96 s.
16. Solonina O.P., Glazunov S.G. Zharoprochnyye titanovyye splavy -M.: Metallurgiya, 1976. - 448 s.
17. Miklyayev P.G. Mekhanicheskiye svoystva legkikh splavov pri temperaturakh i skorostyakh obrabotki davleniyem. - M.: Metallurgiya, 1994. - 280 s.
18. http://viam-works.ru/ru/articles.
19. Khorev A.I. Kompleksnoye legirovaniye i termome-khanicheskaya obrabotka titanovykh splavov. - M.: Mashinostroyeniye, 1979. - 228 s.
20. Materials Properties Handbook. Titanium Alloys / Ed. by R. Boyer, G. Welsch, E.W. Collings. - ASM International. The Material Information Society, 1994. - 1176 s.
21. Nochovnaya N.A., Antashev V.G., Shiryayev A.A., Alekseyev Ye.B. Vybor kompozitsii novogo zha-roprochnogo titanovogo splava s primeneniyem metodov matematicheskogo modelirovaniya // Titan. 2015. № 1. S. 10-15.
22. Yegorova Yu.B., Davydenko L.V., Chibisova Ye.V., Belova S.B. Prognozirovaniye Tpp promyshlennykh slitkov titanovykh splavov po ikh khimicheskomu sos-tavu // Elektrometallurgiya. 2016. № 12. S. 6-14.
23. Nochovnaya N.A., Isaichev A.V., Antashev V.G. Problemy sozdaniya ekonomichnykh titanovykh spla-
vov i puti ikh resheniya // Vse materialy. Entsiklope-dicheskiy spravochnik. 2008. № 5. S. 10-15.
24. Kashapov O.S., Pavlova T.V., Kalashnikov V.S., Popov I.P. O vliyanii dobavok ugleroda na me-khanicheskiye svoystva titanovogo psevdo-a-splava // Voprosy materialovedeniya. 2019. № 2 (98). S. 27-38.
25. Panotskiy D.A., Bereslavskiy A.L. Ispol'zovaniye ugleroda v kachestve legiruyushchego elementa dlya splavov na osnove titana // Titan. 2006. № 1 (18). S. 20-23.
26. Trubin A.N., Puzakov I.Yu. Osobennosti raspredele-niya kisloroda v slitkakh titanovykh splavov // Titan. 2003. № 1. S. 20-21.
27. Egorova Yu.B., Davydenko L.V., Chibisova E.V., Belova S.B. Theoretical and Statistical Basis for Stability of Titanium Alloy Ti-6Al-4V Semiproduct Mechanical Properties // Metal Science and Heat Treatment. 2018. Vol. 60. Iss. 5-6. R. 277-284.
С ЮБИЛЕЕМ!
1 июня 2021 г. исполнилось 85 лет доктору технических наук, лауреату Государственной премии СССР, начальнику лаборатории титановых сплавов ВИЛСа Георгию Андреевичу Бочвару.
После окончания Московского института цветных металлов и золота в 1959 г. начал свою работу в ВИАМе в лаборатории титановых сплавов, начальником которой был один из основателей в стране работ по титану профессор С.Г. Глазунов.
В 1962 г. Г.А. Бочвар был переведен во Всесоюзный институт легких сплавов, где возглавил группу по электронно-микроскопическим исследованиям титановых сплавов.
В 1967 г. сначала как начальник сектора, а затем начальник лаборатории Г.А. Бочвар особое внимание сосредоточил на разработке и повышении качества жаропрочных титановых сплавов. Жаропрочность и долговечность последних во многом зависела от характера структуры в готовом полуфабрикате. В своих работах он показал необходимость в четком разделении температур окончания в р-области и продолжении деформации после нагрева металла в а + р-области. Эти данные послужили основой для создания общего принципа горячей деформации титановых сплавов - прокатки, ковки, штамповки, проведения двухстадийной деформации, которая позволяла создавать управляемую структуру. Г.А. Бочвар провел большой цикл работ по изучению структуры гранул из титановых сплавов и ее измельчению в процессе ГИПа.
Г.А. Бочвар является автором более 150 статей, патентов и трех монографий, неоднократно выступал с докладами на международных конференциях и симпозиумах. Результаты всех работ, проведенных Г.А. Бочваром в ВИЛСе, позволили институту стать лидером в разработке технологии производства полуфабрикатов из титановых сплавов как в нашей стране, так и во всем мире.
Руководство и коллектив института, редколлегия журнала отмечают значимый вклад Георгия Андреевича в научные достижения института и поздравляют с юбилеем, желают крепкого здоровья!
