CC BY
45
УДК: 548.4; 538.951-405
ОСОБЕННОСТИ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО ВНУТРЕННЕГО ОКИСЛЕНИЯ
СПЛАВА V-4Ti-4Cr
И.А. Дитенберг, А.Н. Тюменцев, С.В. Овчинников, К.В. Гриняев
Томский государственный университет, пр. Ленина 36, Томск, Россия, 634050, e-mail: [email protected]
Аннотация. Исследованы особенности метода низкотемпературного внутреннего окисления, как способа повышения высокотемпературной прочности сплава V-4Ti-4Cr.
Ключевые слова: сплавы ванадия, прочность, термическая стабильность.
1. Введение. В работах [1, 2] на примере сплавов V-Zr, V-Cr-Zr, V-Mo-Zr была показана высокая эффективность метода внутреннего окисления (ВО) при формировании структурных состояний, обеспечивающих значительное повышение температуры рекристаллизации этих сплавов. В настоящей работе проведено исследование возможности применения низкотемпературного ВО в качестве метода повышения высокотемпературной прочности сплава системы V-4Ti-4Cr путём совмещенного дисперсного и субструктурного упрочнения.
2. Материалы и методика проведения эксперимента. Использовался сплав V-4,36Cr-4,21Ti-0,013С-0,011N-0,02O (вес. %). Низкотемпературное диффузионное легирование проведено по схеме, аналогичной [1], с той разницей, что кратковременные отжиги образцов на
НАУЧНЫЕ ВЕДОМОСТИ
Серия: Математика. Физика. 2011. №5(100). Вып. 22 175
воздухе выполнены при Т = (580-620) 0С, а последующая термообработка в вакууме при температурах 620 и 800 0С. При этом конкретные режимы отжигов определяются концентрацией вводимого кислорода и толщиной образцов. Этапы термомеханической обработки проведены аналогично режиму II [3].
3. Результаты исследования. Проведенное исследование показало, что обработка методом ВО значительно повышает термическую стабильность микроструктуры сплава. После отжига при Т = 900 0 С по всему сечению образцов обнаруживается полное подавление рекристаллизации (рис. 1 а). По данным просвечивающей электронной микроскопии, последнее обусловлено эффективным закреплением элементов дефектной субструктуры высокодисперсными частицами второй фазы с размерами от нескольких до нескольких десятков нанометров. При более высоких температурах отжига эффективность обработки зависит от расстояния от поверхности образцов.
Рис. 1. Микроструктура сплава У-4Ті-4Сг после ВО и ТМО по режиму II: а - отжиг 900 0С 1 час; б - отжиг 1000 0С 1 час. Металлография.
После отжига при Т = 1000 0 С рекристаллизация полностью подавлена в поверхностном слое толщиной (100-120) мкм (рис. 1 б), в то время как во внутреннем слое толщиной около 50 мкм обнаруживаются зёрна неправильной формы, свидетельствующие о развитии в этом слое первичной рекристаллизации. Повышение температуры отжига до (1200-1300) 0С приводит к постепенному увеличению размеров этого слоя и сфероидизации зёрен, свидетельствующей о протекании в нём собирательной рекристаллизации. Однако размер формирующихся при этом зёрен, даже после отжига при Т = 1300 0С, оказывается в несколько раз меньше, чем после отжига при 1000 0С образцов, обработанных по традиционному режиму ТМО [3]. Следовательно, в этом слое формирующиеся в процессе химико-термической обработки частицы второй фазы существенно ограничивают миграцию границ и рост зёрен.
Увеличение температуры приводит к коагуляции высокодисперсных фаз. При этом после отжига при Т = 1000 0 С обнаружена высокая плотность тонких пластинчатых выделений второй фазы с характерными размерами от 50 до 300 нм и толщиной до (10-20) нм (рис. 2 а). Отжиги при температурах 1200-1300 0 С приводят к увеличению размеров частиц, которые достигают субмикронных и микронных размеров. Эти частицы тормозят миграцию границ зёрен и обеспечивают образование в поверхностных слоях мелкокристаллической структуры с размерами кристаллитов (зёрен и субзёрен) от 1 до 3 мкм (рис. 2 б).
Рис. 2. Микроструктура сплава после ВО, ТМО по режиму II и последующих одночасовых отжигов при 1000 0С (а) и 1200 0С (б). Просвечивающая электронная микроскопия.
Электронографический анализ кристаллической структуры представленных на рис. 2 пластинчатых выделений показал, что они представляют собой ГЦК фазу с параметром решётки а = 0,424 ± 0,002 нм. Широкая концентрационная область существования ГЦК оксидов ТЮ приводит к тому, что параметры решётки этой фазы могут значительно изменяться в зависимости от её стехиометрического состава. В сравнении со справочными данными [4], полученное в работе значение параметра решётки выделяющихся в процессе химико-термической обработки частиц идентично оксиду ТЮ. В таблице 1 приведены данные механических испытаний.
Таблица 1
Механические свойства сплавов V-4Ti-4Cr
Способы обработки сто. 1, МПа 5, %
Т = 20 °С Т = 800 °С Т = 20 °С Т = 800 °С
ТМО по режиму [3] 360 180-220 22 12
Использование ХТО 500-560 380-420 1 3
Как видно, в структурном состоянии с ультрадисперсными частицами второй фазы и полным подавлением рекристаллизации, предел текучести при Т = 800 0С увеличивается, по сравнению с ТМО по традиционному режиму почти в два раза. При комнатной температуре значение 0о.1 увеличивается примерно в 1.5 раза, но повышение прочности сопровождается значительным снижением пластичности.
4. Заключение. На основе анализа влияния ВО на микроструктуру и механические свойства сплавов У-4Т1-4Сг сделано заключение, что данный метод является одним из перспективных направлений повышения термической стабильности микроструктуры и эффективности их дисперсного и субструктурного упрочнения. Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Федерального агентства по образованию ГК № 14.740.11.0986.
Литература
1. Тюменцев А.Н., Пинжин Ю.П., Овчинников С.В. и др. // Перспективные материалы. -2005. - 5. - С.5-18.
НАУЧНЫЕ ВЕДОМОСТИ Г... Д Серия: Математика. Физика. 2011. №5(100). Вып. 22 177
2. Тюменцев А.Н., Пинжин Ю.П., Овчинников С.В. и др. // Перспективные материалы. -2005. - 5. - С.19-30.
3. Пинжин Ю.П., Тюменцев А.Н., Литовченко И.Ю. и др. // Физическая мезомеханика. -2004. - 7(Спец. выпуск);Ч. 2. - C.223-226.
4. Горелик С.С., Скаков Ю.А., Расторгуев Л.Н. Рентгенографический и электроннооптический анализ / С.С. Горелик. - М.: МИСИС, 2002. - 360 с.
FEATURES OF THE V-4Ti-4Cr ALLOY AFTER LOW-TEMPERATURE INTERNAL OXIDATION
I.A. Ditenberg, A.N. Tyumentsev, S.V. Ovchinnikov, K.V. Grinyaev
Tomsk State University,
Lenina av., 36, Tomsk, 634050, Russia, e-mail: [email protected]
Abstract. Features of the low-temperature internal oxidation method are investigated from the viewpoint of the increasing of V-4Ti-4Cr alloy high-temperature strength.
Key words: vanadium alloys, strength, thermal stability.
