О ВОЗДЕЙСТВИИ ПОВЕРХНОСТНОГО ОКИСЛЕНИЯ ПРИ ОТЖИГЕ НА ПЛАСТИЧНОСТЬ ПО ЭРИКСЕНУ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ЛИСТОВЫХ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

DOI 10.36622^ТО.2022.18.6.017 УДК 621.785.3: 669.29

О ВОЗДЕЙСТВИИ ПОВЕРХНОСТНОГО ОКИСЛЕНИЯ ПРИ ОТЖИГЕ НА ПЛАСТИЧНОСТЬ ПО ЭРИКСЕНУ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ЛИСТОВЫХ

ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

А.Б. Коломенский1,2, С.В. Шахов2, Р.Т. Мустафин2, Б.А. Коломенский2

воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия 2Филиал ПАО «Ил» - ВАСО, г. Воронеж

Аннотация: известно, что при изготовлении титановых сварных конструкций применяют отжиг для снижения остаточных напряжений, выполняемый, как правило, в воздушной среде. Нагрев при температурах свыше 300 °С сопровождается появлением интерференционно-окрашенных оксидных плёнок, а при температурах более 550-600 °С - газонасыщенных слоёв, влияние которых на механические характеристики не исследовано в достаточной мере. Исследовано влияние оксидных плёнок, формирующихся в процессе отжига, на пластичность по Эриксену основного металла и сварных соединений из листовых титановых сплавов. Работы проводили как на основном металле, так и на сварных заготовках титановых сплавов ВТ1-0, ПТ7М и ВТ6ч, получивших широкое распространение при изготовлении летательных аппаратов. Часть листовых заготовок имела газонасыщенный подслой. Установлено, что оксидные плёнки, формирующиеся в процессе отжига при температурах до 550 °С незначительно (не более чем на 7%), понижают пластичность по Эриксену низкопрочных титановых сплавов и могут оказывать положительное влияние на технологическую пластичность высокопрочного титанового сплава. Наличие газонасыщенного подслоя при этом может повышать пластичность как основного металла, так и сварных соединений данных сплавов

Ключевые слова: титановые сплавы, сварка, отжиг, оксидные плёнки, пластичность по Эриксену

Введение

В процессе производства титановые листовые сварные конструкции подвергаются промежуточному и финишному отжигу с целью снижения напряжений, а также операциям правки и формообразования [1]. В процессе нагрева на поверхности деталей формируются оксидные плёнки, влияние которых на механические характеристики, в частности, на технологическую пластичность в литературных источниках до конца не исследовано.

Постановка задачи

Задачей работы было исследование воздействия оксидных плёнок на пластичность в условиях двухосного напряжённого состояния листовых сварных соединений из титановых сплавов.

Материалы и методы исследования

В работе изготавливали листовые образцы как из основного металла, так и сварные толщиной 0,8 мм габаритами 70 х 300 мм из листов технического титана ВТ1-0 и сплавов

© Коломенский А.Б., Шахов С.В., Мустафин Р.Т., Коломенский Б.А., 2022

ПТ7М и ВТ6ч, широко распространённые в самолётостроении.

Испытания по Эриксену с установлением параметра вытяжки до появления трещины выполняли на установке МТЛ-10Г-1 с диаметром матрицы 27 и шарика 20 мм соответственно.

Предварительно образцы подвергали воздушному отжигу: для титана ВТ1-0 - 800° С, 2ч.; для сплавов ПТ7М и ВТ6ч - 850° С, 1ч. При этом в листах полностью снимается нагар-товка и исключается её влияние на результаты испытаний, и одновременно формируется газонасыщенный слой ~ 100 мкм.

Затем образцы подвергали пескоструйной обработке и травлению в кислотах ОТ и НК03 на регламентированную глубину: на 100 мкм (полный съём газонасыщенного слоя) и на 48, 60 и 70 мкм для сплавов ВТ1-0, ПТ7М и ВТ6ч соответственно. Оставшиеся при этом на поверхности газонасыщенные слои соответствовали перепадам микротвёрдости ДНУ ~ 20, 12 и 5%, при которых ранее получали наиболее высокие значения повторно-статической долговечности [2].

В заключение проводили одночасовой финишный отжиг на воздухе при 350-650°С.

При Т< 450 °С на поверхности формируются практически только оксидные плёнки; Т = 550 °С соответствует началу заметного рас-

творения кислорода в титане (толщина газонасыщенного слоя < 2 мкм), а при Т = 650 °С наряду с оксидной плёнкой образуется фиксируемый методом микротвёрдости газонасыщенный слой глубиной ~8 мкм.

Результаты исследований

Вначале подвергали испытаниям образцы основного металла.

Из графиков на рис. 1-2 следует, что для сплавов пониженной прочности ВТ1-0 и ПТ7М отжиг при Т = 350-650°С с повышением температуры в целом монотонно незначительно (не более чем на 5-7%) понижает пластичность основного металла. Это в равной мере касается и листов без газонасыщенного подслоя, и с подслоем. При этом, однако, следует отметить, что для титана ВТ1-0 наличие газонасыщенного подслоя на 3-7% повышает показатель пластичности, а для сплава ПТ7М - практически не оказывает воздействия.

Для сплава более высокой прочности ВТ6ч зависимость Н = f (Т) заметно отличается (см. рис. 3). Для металла с полностью удалённым слоем отжиг при температурах 350-550 °С на ~7-10% повышает значения Н; при частичном сохранении газонасыщенного слоя пластичность практически не меняется в данном температурном диапазоне. Повышение скорости растворения кислорода в титане при Т=650 °С, видимо, является причиной ухудшения показателя пластичности на 10-12% как для варианта с подслоем, так и без него. в.1' ~

мм

О. 5 -

ДНУ=0

н.

ЛНУ =20%

8—

ДОО 200 ЗОО 400 500 600 700

I °с

н,

мм

АЫ V = О

500 600 -.....

т "с

Рис. 1. Зависимость показателя пластичности (Н) от температуры отжига основного металла титана ВТ1-0: а - с полностью удалённым газонасыщенным слоем (ДHV =0); б - с газонасыщенным подслоем (ДHV = 20%) и в - сравнительное влияние наличия газонасыщенного подслоя на пластичность по Эриксену (продолжение)

н.

мм

ДНУ - о

1.(111 700

т °с

Рис. 1. Зависимость показателя пластичности (Н) от температуры отжига основного металла титана ВТ1-0: а - с полностью удалённым газонасыщенным слоем (ДHV =0); б - с газонасыщенным подслоем (ДHV = 20%) и в - сравнительное влияние наличия газонасыщенного подслоя на пластичность по Эриксену

11К1 14 'II ЗОО 400 500 БОО 700

т "с

Рис. 2. То же, что на рис. 1, для сплава ПТ7М

б

н.

м ■ ]

ДНУ = 12%

ЮО 2DO ЗОО 400 500 60D '.'( II

Т Ч

н,

M.VI

ДНУ = 5 %

ЮО 200 ЗОО 400 ")(1(1 бОО 700

т °с

н,

мм

ДНУ -О

Дну = 12%

О ЮО 200 ЗОО 400 500 БОО 700

Т t

в

Рис. 2. То же, что на рис. 1, для сплава ПТ7М (продолжение)

н.

м.ч

ДНУ = 0

IDO 200 ЗОО ЮО '>1111 БОО ЛII

т "с

Рис. 3. То же, что для рис. 1, для сплава ВТ6ч

н,

мм

ДНУ - о

ДНУ - 5 %

ЮО 200 ЗОО 400 500 БОО ТОО

т °с

Рис. 3. То же, что для рис. 1, для сплава ВТ6ч (продолжение)

Кроме того, в настоящей работе проводили аналогичные исследования для сварных соединений титана ВТ1-0 и сплава ПТ7М, широко используемых для изготовления сварных трубопроводов.

Для имитации сварных швов выполняли проплавление листовых заготовок автоматической аргонодуговой сваркой с местной защитой (ААрДЭС) по режиму: Усв = 6, 75 мм/с; I = 50 А.

Учитывая, что в случае сварных соединений отжиг приводит не только к поверхностному окислению, но и к внутренним структурным изменениям, оценку влияния фактора окисления после финишного отжига на пластичность осуществляли с помощью сопоставления результатов, полученных для образцов с окислен-

б

б

ной поверхностью, и для образцов, прошедших облагораживающее травление на ~ 5...8 мкм.

Трещина во всех случаях образовывалась вначале в сварном шве.

Из полученных результатов следует, что удаление оксидных плёнок, образующихся при отжиге в диапазоне Т = 350-550 °С, даёт для технического титана без газонасыщенного подслоя прирост параметра Н примерно на 5-7% (см. рис. 4). То есть оксидная плёнка снижает пластичность сварных соединений технического титана. С ростом температуры отжига до 650 °С пластичность для обоих состояний поверхности становится одинаковой.

При наличии газонасыщенного подслоя (см. рис. 5) характерным является значительное положительное влияние наличия оксидной плёнки при 450°С: пластичность при этом больше на ~ 10%, чем для варианта со стравленной плёнкой.

При сопоставлении данных рис. 4а и 5а можно видеть, что в присутствии газонасыщенного подслоя низкотемпературные (350...450 °С) оксидные плёнки на 10-12% повышают показатель пластичности в сравнении со случаем без подслоя.

Для сплава ПТ7М (рис. 6 и 7) можно в целом отметить, что при отсутствии газонасыщенного подслоя оксидные плёнки в изучаемом диапазоне температур отжига в целом положительно влияют на пластичность сварных соединений по Эриксену, а для варианта с газонасыщенным подслоем данное влияние не имеет однозначного характера.

Таким образом, по результатам исследований данной работы установлено, что наличие газонасыщенного подслоя с небольшими перепадами микротвёрдости ДНУ оказывает выраженное положительное влияние на показатели пластичности по Эриксену металла с оксидными плёнками. Это может быть объяснено уменьшением градиента твёрдости между оксидной плёнкой с нулевой пластичностью и пластичным металлом.

Выявленное положительное воздействие тонких оксидных плёнок не только на прочность, но и на пластичность высокопрочных титановых сплавов может объясняться залечиванием субмикротрещин плёнками при нарастании плотности дислокаций при деформировании металла [3, с.12].

7.5

Н. мм

ДНУ = 0 %

ЮО 200 ЗОО 400 500 БОО ТОО

т°с

7.5

Н, ММ

ДНУ =о %

7.5

Н. мм

ЮО 200 ЗОО 400 500 БОО 700

т°с

б

нетранл

травл.

Дну=0%

ЮО 200 ЗОО 400 500 БОО 7(1(1

т°с

Рис. 4. Зависимость параметра (Н) от температуры отжига технического титана ВТ1-0 без газонасыщенного подслоя (ДНУ =0): а - без травления после отжига; б - с травлением после отжига; в - сравнительное влияние травления после отжига на показатель пластичности

а

9. О

Н,мм

ДНУ = 19%

ЮО 200 ЗОО 400 500 600 700

т°с

7.5

Н, мм

ДНУ = о %

ЮО 200 ЗОО ЮО 500 бОО 700

т°с

ю. о

Н, мм

Дну - 19%

ЮО 200 ЗОО 400 500 600 700

т,°с

7. 5

Н, мм

ДНУ = о %

ЮО 200 ЗОО

400 500 еоо 700

т°с

Н. мм

ДНУ = 19%

без травл

с i paa.ii

ЮО 200 ЗОО 400 500 600 700

г,°с

7.5

Н. мм

ДНУ = 0%

нетраал

травл.

О ЮО 200 ЗОО 400 500 БОО 700

т*с

Рис. 5. То же, что на рис. 4, но с перепадом микротвёрдости ДНУ = 19%

Рис. 6. То же, что на рис. 4, для сплава ПТ7м

а

а

б

б

в

5

Н. ММ

ДНУ -12 %

ЮО 200 ЗОО 400 500 ООО 700

T't

7. 5 Н, ММ

AlIV- 12%

Выводы

1. Оксидные плёнки, образующиеся при отжиге с Т = 350-550 °С незначительно (не более чем на 7%), снижают пластичность низкопрочных титановых сплавов ВТ1-0 и ПТ7М при вытяжке.

Для сплава повышенной прочности ВТ6ч выявлено положительное воздействие указанных оксидных плёнок на технологическую пластичность (на 7...10%), что может объясняться залечиванием субмикротрещин плёнками при деформировании металла.

2. Наличие регламентированного газонасыщенного слоя в присутствии оксидных плёнок повышает пластичность при вытяжке низкопрочного титана ВТ1-0 и снижает данный показатель для сплава повышенной прочности ВТ6ч.

3. Для сварных соединений титана ВТ1-0 после отжига оксидные плёнки при наличии газонасыщенного подслоя повышают пластичность, а без него - понижают.

Пластичность сварных соединений сплава ПТ7М в присутствии оксидных плёнок возрастает, что позволяет снять требование проведения обязательного травления после операции отжига.

ЮО ЕОО ЗОО 400 :. IП ) ЕОО 700

7.5

Н, мм

ДНУ =12 %

Литература

1. Глазунов С.Г., Моисеев В.Н. Конструкционные титановые сплавы. М.: Металлургия, 1974. 368 с.

2. Коломенский А.Б., Шахов С.В., Коломенский Б.А. Сравнительное влияние различных газонасыщенных слоёв на механические характеристики листов из титановых сплавов // Металловедение и термическая обработка металлов. 2016. № 6. С. 30-36.

3. Крамер И., Демер Л. Влияние среды на свойства металлов / под ред. Ю.А. Геллер. М.: Металлургия, 1964. 87 с.

негравл.

ЮО 200 ЗОО 400 500 ООО 700

т°с

Рис. 7. То же, что на рис. 4, для сплава ПТ7М с перепадом микротвёрдости ДНУ = 12%

Поступила 10.09.2022; принята к публикации 16.12.2022

а

б

в

Информация об авторах

Коломенский Александр Борисович - д-р техн. наук, профессор, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), главный металлург, Филиал ПАО «Ил» - ВАСО (394029, Россия, г. Воронеж, ул. Циолковского, 27), e-mail: metallurg@air.vrn.ru

Шахов Сергей Викторович - канд. техн. наук, начальник КБ, Филиал ПАО «Ил» - ВАСО (394029, Россия, г. Воронеж, ул. Циолковского, 27), e-mail: shahovsv@gmail.com

Мустафин Руслан Тимиргалеевич - технический директор, Филиал ПАО «Ил» - ВАСО (394029, Россия, г. Воронеж, ул. Циолковского, 27), e-mail: r-mustafin@air.vrn.ru

Коломенский Борис Александрович - канд. техн. наук, начальник службы рекламаций, Филиал ПАО «Ил» - ВАСО (394029, Россия, г. Воронеж, ул. Циолковского, 27), e-mail: b-kolomenskiy@air.vrn.ru

ON THE EFFECT OF SURFACE OXIDATION DURING ANNEALING ON THE ERIKSEN PLASTICITY OF WELDED JOINTS OF SHEET TITANIUM ALLOYS

A.B. Kolomenskiy1, 2, S.V. Shahov2, R.T. Mustafin2, B.A. Kolomenskiy2

Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia 2Branch of JSC "IL" - VASO, Voronezh, Russia

Abstract: it is known that in the manufacture of titanium welded structures, annealing is used to reduce residual stresses, which is usually carried out in air. Heating at temperatures above 300 °C is accompanied by the appearance of interference-colored oxide films, and at temperatures above 550-600 °C - gas-saturated layers, the effect of which on the mechanical characteristics has not been sufficiently studied. The effect of oxide films formed during annealing on the Eriksen ductility of the base metal and welded joints from sheet titanium alloys was studied. The work was carried out both on the base metal and on welded billets of titanium alloys VT1-0, PT7M, and VT6ch, which are widely used in the manufacture of aircraft. Part of the sheet blanks had a gas-saturated sublayer. We established that oxide films formed during annealing at temperatures up to 550°C slightly (by no more than 7%) reduce the Eriksen ductility of low-strength titanium alloys and can have a positive effect on the technological ductility of a high-strength titanium alloy. The presence of a gas-saturated sublayer in this case can increase the ductility of both the base metal and welded joints of these alloys.

Key words: titanium alloys, welding, annealing, oxide films, plasticity according to Eriksen

References

1. Glazunov S.G., Moiseev V.N. "Structural titanic alloys" ("Konstruktsionnye titanovye splavy"), Moscow: Metallurgiya, 1974, 368 p.

2. Kolomenskiy A.B., Shahov S.V., Kolomenskiy B.A. "Comparative effect of various gas-saturated layers on mechanical characteristics of sheets from titanium alloys", Metal Science and Heat Treatment of Metals (Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov), 2016, no. 6, pp. 30-36.

3. Kramer I., Demer L., ed. Geller J.A. "Environment influence on metal properties" ("Vliyanie sredy na svoystva metallov"), Moscow: Metallurgiya, 1964, 87 p.

Submitted 10.09.2022; revised 16.12.2022 Information about the authors

Aleksandr B. Kolomenskiy, Dr. Sc. (Technical), Professor, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia); Chief Metallurgist, Branch JSC "IL" - VASO (27 Tsiolkovskogo str., Voronezh 394029, Russia), e-mail: metallurg@air.vrn.ru

Sergey V. Shakhov, Cand. Sc. (Technical), Chief of Branch JSC "IL" - VASO (27 Tsiolkovskogo str., Voronezh 394029, Russia), e-mail: shahovsv@gmail.com

Ruslan T. Mustafin, technical director, Branch JSC "IL" - VASO (27 Tsiolkovskogo str., Voronezh 394029, Russia), e-mail: r-mustafin@air. vrn.ru

Boris A. Kolomenskiy, Cand.Tech.Sci, Assistant Quality Director, Branch JSC "IL" - VASO (27 Tsiolkovskogo str., Voronezh 394029, Russia), e-mail: b-kolomenskiy@air.vrn.ru