УДК 669.295
P.M. Кашаев, Р.Я. Лутфуллин, М.И. Нагимов
Институт проблем сверхпластичности металлов РАН, г. Уфа
НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ СВЕРХПЛАСТИЧНОСТЬ ТИТАНОВОГО СПЛАВА TI-6AL-4V
Приведены результаты испытаний при температурах 650-800 °С и при скоростях деформации 1-10'4-2-10'1 с-1 на одноосное растяжение образцов из титанового сплава Ti-6Al-4V, вырезанных вдоль и поперек направления прокатки листа. Выявлена низкотемпературная сверхпластичность исследованных листов титанового сплава Ti-6Al-4V. Показано, что максимальную пластичность листы проявили при температурах 750 и 800 °С. В допустимых пределах разброса эксперимента листы являются изотропными в продольном и поперечном направлениях относительно напряжения течения и пластичности в исследованном температурно-скоростном диапазоне.
Ключевые слова: низкотемпературная сверхпластичность, титановый сплав Ti-6Al-4V, растяжение.
Известно [1-3], что промышленные титановые листы типа ВТ6 (аналог Ti-6Al-4V) широко применяют при изготовлении различных изделий методом сверхпластической деформации. Этот сплав широко исследован при различных температурно-скоростных условиях. Он проявляет сверхпластические свойства при температурах 850-950°С и при скоростях деформации 1 • 10-4—1 • 10-2с-1 [4]. Однако высокая температура сверхпластической деформации требует использования дорогостоящей жаропрочной оснастки и, кроме того, приводит к газонасы-щению поверхностного слоя изделия. В последние годы ОАО ВСМПО начало выпускать листы из сплава Ti-6Al-4V с улучшенными сверх-пластическими свойствами [5]. Однако данных по характеристикам сверхпластичности этих листов в литературе недостаточно.
Цель работы - выявление низкотемпературной сверхпластичности титановых листов толщиной 1 и 1,5 мм из сплава Ti-6Al-4V в условиях одноосного растяжения.
Объектом исследования являлись титановые листы из сплава Ti-6Al-4V толщиной 1 и 1,5 мм с улучшенными сверхпластическими свойствами производства ОАО ВСМПО. Химический состав и механические свойства листа толщиной 1 мм приведены соответственно в табл. 1, 2.
Химический состав, %
Таблица 1
Al V Fe C O N H Y Примеси Ti
Верх Низ 6,09 6,08 4,27 4,26 0,25 0,21 0,005 0,005 0,146 0,138 0,003 0,006 0,0006 0,0008 <0,001 <0,001 0,081 0,081 Основа
Т аблица 2
Механические свойства
Направление вырезки образца Условный предел текучести 0,20%, МПа Предел прочности, МПа Относительное удлинение, %
Продольное 1044 1105 9,1
Поперечное 1064 1122 9,9
На рис. 1 представлена фотография тонкой структуры сплава Ti-6Al-4V толщиной 1 мм, сделанная в просвечивающем электронном микроскопе JEM - 2000 EX. Средний размер зерен составляет 1,1 мкм.
В процессе работы проводились эксперименты на растяжение. Из листового материала толщиной 1,0 и 1,5 мм изготавливались плоские образцы с продольным и поперечным направлением прокатки листового материала. Ширина рабочей части образца 5 мм, длина рабочей части 20 мм. Механические испытания на растяжение проводились на машине INSTRON 1185 при температурах 650, 700, 750 и 800 °С и при скоростях деформирования 0,5, 5 и 50 мм/мин. Всего было испытано 48 образцов.
По результатам испытаний была
Риа L Т°нкая структура листа из определена пластичность образцов по
сплава Ti-6Al-4V толщиной 1 мм ,
в просвечивающем электронном фор У е
микроскопе
б = ((4 - І0) / I0) 100 %,
где /0 = 20 мм - начальная длина рабочей части образца, 4 - конечная длина рабочей части образца.
Рис. 2. Сравнительный вид исходного и испытанных образцов
Истинные напряжения течения определяли по формуле
а = Р / Г,
где Р - сопротивление деформации, Н, Г - текущая площадь поперечного сечения образца, которую определяли из условия постоянства объема рабочей части образца.
Одной из основных характеристик сверхпластичности является коэффициент скоростной чувствительности материала т [6]. Коэффициент т определяли методом ступенчатого переключения скоростей деформирования в начале испытания каждого образца по формуле
т = Ыфт/Рх) / НУг/УхХ
где У1 и У2 - скорости деформирования до и после переключения; Р\ и Р2 - соответствующие им усилия деформирования.
Вид исходного и испытанных образцов представлены на рис. 2. На рис. 3-6 представлены результаты механических испытаний, иллюстрирующие влияние температуры и скорости деформирования на проявление пластичности и сверхпластичности листового материала.
1000 900 800
/- II
, )
/ -'/У \\\
1 1 I \
< г. 'Л к \ 1
< / V \ х ч с 1 )
X > хХ 1 1
< к. \
л к
700
600
500
400
300
650 °С прод.
- 650 “С попер. 700 “С прод. 700 °С попер.
- 750 °С прод. 750 °С попер. 800 °С прод.
- 800 °С попер.
1 10 Скорость деформирования, мм/мин
Рис. 3. Влияние скорости деформирования на пластичность образцов, вырезанных вдоль (прод.) и поперек (попер.) прокатки из листа толщиной 1 мм сплава Т1-6А1-4У
1000 900 800 ^ 700
I 600
с
5 500 а>
0
5 400
1
I 300
X
° 200 100 о
і і
у і
у / /
¥ =?
С Г / / // к к 4 А
1 \ / і % А г >
і < / /
і к' ► >
\
і И"
600 650 700 750
Температура, °С
800
♦ 50 мм/мин прод. 050 мм/мин попер. А 5 мм/мин прод.
Д 5 мм/мин попер.
• 0,5 мм/мин прод. О 0,5 мм/мин попер.
850
Рис. 5. Влияние температуры на пластичность образцов, вырезанных вдоль (прод.) и поперек (попер.) прокатки из листа толщиной 1 мм сплава Т1-6Л1-4У
1000
900
800
55 700
0
I 600
5 500
О
о
3 400
5
§ 300
0
1
О 200 100 0
М 1
>
с У М 2 і
/ / у/
/ 4 * л у к/-' к
л 1 /
С 5 / 1 / /Л У к А к
и—і ►
► ^
600
650
700 750
Температура, °С
800
♦ 50 мм/мин прод.
О 50 мм/мин попер. А 5 мм/мин прод.
Л 5 мм/мин попер.
• 0,5 мм/мин прод. О 0,5 мм/мин попер.
850
Как показали результаты механических испытаний (см. рис. 2-6), пластичность листа толщиной 1мм выше пластичности листа толщиной 1,5 мм, причем направление вырезки образцов не оказывает существенного влияния на относительное удлинение. Пластичность листа толщиной 1,5 мм увеличивается с повышением температуры и с уменьшением скорости деформирования во всем диапазоне исследованных температур и скоростей деформирования. Такой же характер изменения пластичности имеет лист толщиной 1 мм при испытаниях при температурах 650 и 700 °С. При температурах же 750 и 800 °С пластичность достигает максимума при скорости деформирования 5 мм/мин. Дальнейшее уменьшение скорости до 0,5 мм/мин приводит к снижению пластичности. Это, по всей видимости, связано с влиянием роста зерен и газонасыщением сплава.
1000
♦ 650 °С, прод.
сс
^ 0650 °С, попер.
к А700 °С, прод.
ф Д 700 °С, попер.
°° н ■ 750 °С, прод.
ф
| □ 750 °С, попер.
ф
| ♦ 800 °С, прод.
с о 800 °С, попер.
10
1
Рис. 7. Влияние скорости деформации и температуры на напряжение течения образцов, вырезанных вдоль (прод.) и поперек (попер.) прокатки из листа толщиной 1мм сплава Т1-6Л1-4У
На рис. 7 и 8 представлены зависимости напряжения течения и коэффициента скоростной чувствительности т листового материала толщиной 1 мм от скорости деформации. Напряжение течения сплава повышается с уменьшением температуры и с увеличением скорости деформации. Видно, что влияние направления вырезки образцов на напряжение течения листа незначительное и находится в рамках разброса экспериментальных данных. Это свидетельствует об изотропно-
сти напряжения течения в плоскости листа, что весьма благоприятно для сверхпластической формовки.
А
А
А
Д
д
и
1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
о
♦ 650 °С Д700 °С ■ 750 °С О 800°С
0,0001
0,001
0,01
0,1
Скорость деформации, 1 /с
Рис. 8. Влияние скорости деформации и температуры на коэффициент скоростной чувствительности т листа толщиной 1 мм
Считается, что материал проявляет сверхпластические свойства, если т > 0,3 [6]. Для температуры 650 °С это условие выполняется при
скоростях деформации £ < 2-10-3 с-1, для 700 °С - £ < 1*10_/ с-1. При температурах 750 °С и 800 °С материал проявляет высокоскоростную сверхпластичность (рис. 8).
.-2 -1
э
L A w | | ш
♦ ▲ £ J с ) с
♦ \к л 1 1 ( :) II - о
Г 4 LA ► L * ■ ■ Ik У 1
▼ \r L Ч
0,0001
0,001
0,01
Скорость деформации, 1/с
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0,1
♦ 650 °С Д 700 °С ■ 750 °С О 800 °С
Рис. 10. Влияние скорости деформации и температуры на коэффициент скоростной чувствительности т листа толщиной 1,5 мм
Характер зависимостей напряжения течения и коэффициента m от скорости деформации для листа толщиной 1,5 мм аналогичен поведению материала листа толщиной 1 мм. Однако напряжение течения металла листа толщиной 1,5 мм выше, чем у листа толщиной 1 мм, а коэффициент m ниже. Влияние ориентации образцов относительно прокатки на напряжение течения и пластичность также не обнаружено. Напряжение течения образцов, вырезанных вдоль прокатки листа толщиной 1,5 мм в пределах разброса эксперимента, такое же, как и для образцов, вырезанных поперек прокатки. Лист толщиной 1,5 мм начинает проявлять сверхпластические свойства только с температуры
3 1
700 °С при скорости деформации £ < 2-10- с- .
В результате выполненных работ установлено:
1. Максимальную пластичность образцы проявили при температурах 750 и 800 °С.
2. Для листа толщиной 1 мм пластичность растет с уменьшением скорости деформации при температурах 650 и 700 °С, а при температурах 700 и 750 °С пластичность имеет максимум при скорости деформирования 5 мм/мин; для листа толщиной 1,5 мм пластичность растет с уменьшением скорости деформации при всех испытанных температурах.
3. В пределах разброса эксперимента листы являются изотропными в плоскости листа относительно напряжения течения и пластичности в исследованном температурно-скоростном диапазоне.
4. В исследованных листах выявлена низкотемпературная сверхпластичность при следующих температурно-скоростных условиях:
Для листа толщиной 1мм:
температура 650-700 °С, скорость деформации £ < 2• 10-3 с-1;
температура 700-750 °С, скорость деформации £ < 1 • 10-2 с-1;
температура 750-800 °С, скорость деформации 5^10 -4 с-1 < £ < < 110-1 с-1.
Для листа толщиной 1,5 мм:
температура 700-750 °С, скорость деформации £ < 2-10-3 с-1;
температура 750-800 °С, скорость деформации £ < 1 • 10-2 с-1.
Библиографический список
1. Weisert E.D. and Stacher G.W. Fabricating Parts with SPF/DB Process // Metal Progress. - 1977. - No. 3. - P. 33-37.
2. Stephen D. Superplastic Forming and Diffusion Bonding of Titanium // The Institute of Metals. - London, 1986. - P.108-125.
3. Кайбышев О.А., Утяшев Ф.З. Сверхпластичность, измельчение структуры и обработка труднодеформируемых сплавов: моногр. - М.: Наука, 2002. - 438 с.
4. Кайбышев О.А. Сверхпластичность промышленных сплавов: моногр. - М.: Металлургия, 1984. - 264 с.
5. Comley P.N. Lowering the heat - the development of reduced SPF temperature titanium alloys for aircraft production // Mater. Sci. Forum 447-448. - 2004. - P. 233-238.
6. Кайбышев О.А. Пластичность и сверхпластичность металлов: моногр. - М.: Металлургия, 1975. - 280 с.
Получено 5.10.2010