CC BY
23
УДК 669.295
Канд. техн. наук А. В. Овчинников, канд. техн. наук Д. В. Павленко, д-р техн. наук А. Я. Качан, канд. техн. наук В. Г. Шевченко
Национальный технический университет, г. Запорожье
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ИНТЕНСИВНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ В ТИТАНОВОМ
СПЛАВЕ ВТ3-1
Выполнен анализ перспектив применения титановых сплавов в наноструктурированном состоянии. Показано, что интенсивная пластическая деформация методом винтовой экструзии способствует уменьшению размера структурных элементов в сложнолегированном титановом сплаве ВТ3-1.
Современный этап развития авиационной техники в целом и авиадвигателестроения в частности характеризуется значительными достижениями в области конструирования, технологии изготовления, испытаний и теории управления. Новые конструкторско-тех-нологические решения, применяемые в авиационных двигателях пятого поколения, позволили существенно улучшить их технические характеристики. Это, в свою очередь, привело к увеличению нагрузок на конструкционные материалы, применяемые для деталей авиационных двигателей [1]. Основными тенденциями характерными для двигателей пятого поколения, являются существенное повышение термодинамических параметров, степени повышения давления в компрессоре, снижение массы, применение монокристаллических рабочих лопаток турбин, оболочек из композиционных материалов, дисков из порошковых сплавов, а также моноколес.
Одним из факторов, ограничивающих использование новых конструкторско-технологических решений, в настоящее время являются физические и механические свойства металлов и их сплавов.
Для увеличения эффективности использования конструкционных материалов необходимо, чтобы материалы обеспечивали максимально высокий уровень физических и механических свойств, заданный уровень служебных и технологических свойств, а также имели минимальный удельный вес и стоимость
Наиболее полно перечисленным требованиям отвечают титан и сплавы на его основе. Для обеспечения высокого уровня свойств в современные титановые сплавы вводят дорогостоящие легирующие элементы. Это приводит к их удорожанию, значительно усложняет технологию механической обработки резанием, а также технологию последующего ремонта. Другой важной проблемой для сложнолегированных титановых сплавов является обеспечение стабильности свойств во всем объеме металла.
Применяемые в настоящее время классические подходы, основанные на создании специальных систем легирования сплавов, не дают существенного повышения механических свойств в сравнении с существующими сплавами. Это связано с тем, что возможности твердорастворного и дисперсионного упрочнения титановых сплавов практически исчерпаны. Для решения проблемы существенного повышения уровня механических свойств необходимы принципиально новые подходы к упрочнению. Одним из направлений упрочнения сплавов без дополнительного использования легирующих элементов являются методики нано- или субмикроструктурирования.
Проблема получения наноматериалов, предназначенных для различных областей техники, давно является предметом обсуждений [3,4]. В настоящее время известно (в первую очередь, для металлов), что умень -шение размера кристаллических блоков ниже некоторого порогового значения приводит к значительному изменению комплекса физико-механических свойств материала. Металлы в нанокристаллическом состоянии обладают высокой прочностью и твердостью, имеют более высокую вязкость разрушения и повышенную износостойкость. К наноматериалам, по международной терминологии, относят кристаллические материалы со средним размером зерен менее 100 нм, а в размерном диапазоне от 100 нм до 1000 нм материалы относятся к субмикрокристаллическим [3].
Титановые сплавы, имеющие в своей основе нано-или субмикроструктуру, качественно отличаются от промышленных титановых сплавов. Так, для технического титана ВТ 1-0 и титанового сплава ВТ6 получение в них структурных составляющих размером до 100 нм позволяет повысить прочность до 2-х раз [4]. Повышение прочности, согласно наблюдениям для других сплавов, происходит не постепенно по мере измельчения структуры металлов, а скачкообразно при уменьшении структурных составляющих менее 200.. .100 нм. Вто-
© А. В. Овчинников, Д. В. Павленко, А. Я. Качан, В. Г. Шевченко, 2007
рой скачок можно наблюдать при достижении размера составляющих структуры менее 10 нм. Для представленного примера со сплавами ВТ 1-0 и ВТ 6 получение в них субмикроструктуры обеспечивали с помощью интенсивной пластической деформации [5]. Необходимо отметить, что этот метод не требует дополнительно легирования сплавов. Помимо повышения уровня механических свойств, другим важным положительным моментом является тот факт, что сплавы практически не имели анизотропии свойств. Именно стабильность и прогнозируемость свойств конструкционных материалов в наноструктурирован-ном состоянии является одним из определяющих факторов их применения в высокотехнологичных областях промышленности, в частности в авиастроении.
Для титана и его сплавов наноструктурирование может быть выполнено путем интенсивной пластической деформации (ИПД) или путем применения нано-модификаторов [5].
Анализ причин повышения уровня физических и механических свойств сплавов при ИПД показал, что основными из них являются увеличение количества барьеров на пути движения дислокаций, повышение однородности структуры металла, уменьшение размеров включений в сплаве, повышение протяженности границ зерен и, как следствие, снижение концентрации примесей по границам зерен. Проанализировав процесс изменения структурных составляющих титановых сплавов, можно сделать вывод, что изменяется механизм зарождения микротрещин и, в большей степени, меняется механизм развития макроскопических трещин. Известно, что при разрушении титановых сплавов в изломе наблюдаются "ямки" вязкого разрушения и "гребни", указывающие на зоны высокой энергии разрушения, а их размер и энергоемкость разрушения прямо зависят от размера пластин а-фазы и первичных р -зерен. Можно предположить, что умень -шение размера указанных структурных составляющих в значительной степени уменьшит размер "ямок" вязкого разрушения и повысит энергию разрушения. Следует отметить, что во многих случаях причиной невысокого уровня механических и физических свойств титановых сплавов является не прочность а-пластин или первичных р-зерен, а низкая адгезия между ними, т.е. разрушение происходит по межкристаллитному механизму или по прослойкам между а-пластинами.
Таким образом, повышение прочностных свойств титана и его сплавов при наноструктурировании происходит в результате создания структурных композиций с размером структурных составляющих в диапазоне нано- или субразмеров , что изменяет механизмы разрушения металла.
На данный момент методами ИПД получены и исследованы наноструктуры в низколегированных а -и псевдо а-титановых сплавах. Для сложнолегирован-ных (а+Р) и р-титановых сплавов, особенно для мар-тенситных сплавов и стареющих - интерметаллидно
упрочняющихся сплавов, которые находят широкое применение в технике, технология ИПД остается неисследованной. В полной мере не отработана технология получения титановых сплавов с нано- или субмикроструктурой. Нет данных о влиянии наноструктуры на механизмы разрушения сложнолегированных титановых сплавов.
В связи с этим в настоящее время проблема исследования технологии формирования наноструктуры в сложнолегированных титановых сплавах и ее влияние на свойства является актуальной.
Целью настоящей работы являлась оценка эффективности применения интенсивной пластической деформации для получения нанокристаллической структуры в сложнолегированном титановом сплаве ВТ3-1.
Исследования выполняли на призматических образцах размером 70x50x23 мм. Образцы подвергали интенсивной пластической деформации методом винтовой экструзии [5]. После механической обработки для снятия внутренних напряжений и получения исходной структуры образцы подвергали вакуумному отжигу при температуре 820 °С в течение одного часа.
Химический состав и микроструктуру образцов исследовали с применением растрового электронного микроскопа 18М-Т300 фирмы ШОЬ (Япония) при ускоряющем напряжении 20.. .30 кВ во вторичных электронах. Металлографические шлифы подвергали механическому полированию с последующим анодным электрохимическим травлением.
Состав, физические и механические свойства исследуемого сплава соответствовали техническим условиям. Интенсивная пластическая деформация методом винтовой экструзии использовалась для получения субмикроструктуры в техническом титане ВТ1-0 и псевдотитановом сплаве ВТ6 путем многократного продав-ливания (до 10 проходов) заготовок через специальную пресс-форму при температуре 450 °С [5]. Попытка деформации титанового сплава ВТ3-1 на тех же режимах привела к их разрушению после одного прохода.
Для анализа причин разрушения заготовок из сплава ВТ3-1 в процессе деформации были проведены исследования макро- и микроструктуры в различных сечениях образцов.
Исходная заготовка имела типичную для титановых поковок сплава ВТ3-1 пластинчатую структуру, представленную зернами первичной р-фазы, размером 20.40 мкм. Внутри зерен первичной р-фазы располагались пластины а-фазы размером 2.4 мкм, между которыми имелись прослойки р-фазы размером около 2 мкм (рис. 1).
Структурные составляющие сплава в исходном состоянии имели значительные размерные отличия (см. рис. 1). Так, по границам первичных р-зерен присутствовала а-оторочка размером 3.7 мкм, что до 2,5 раз превышает средние размеры а-пластин и до 5 раз больше р-прослойки. Кроме того, наблюдалась химическая неоднородность в структурных составляющих (рис. 2).
х1000
х5000
Рис. 1. Исходная структура образцов из сплава ВТ3-1: а, б - оптический микроскоп; в, г - электронный растровый микроскоп, темнопольное изображение
в
г
Рис. 2. Распределение легирующих элементов в структурных составляющих исходных заготовок
Повышенная концентрация р-стабилизирующих элементов Мо и Сг в больших количествах имела место в р-прослойках и практически отсутствовала в а-пластинах.
После ИПД сплав имел участки структуры, не подвергнутой деформации (рис. 3). По-видимому, деформация структуры сплавов методом винтовой экструзии происходит фрагментарно. При этом многократные проходы через винтовой канал пресс-формы приводит к увеличению деформированных областей структуры сплава. В результате многопроходной деформации количество деформированных областей накапливается и суммируется, что в конечном итоге обеспечивает деформацию всего объема металла. К аналогичным выводам пришли авторы работы [5], получившие положительные результаты при ИПД сплава ВТ1-0. Количество деформированных участков структуры за один проход не превышало 10 % объема металла. В участках сплава, ко-
торые подверглись пластической деформации, наблюдается значительное изменение структуры (см. рис.3).
В деформированных участках практически отсутствуют границы первичных р-зерен и а-оторочка. Размеры а-пластин, являющихся основной структурной составляющей сплава, уменьшились с 2.4 мкм до 0,2 мкм (200 нм). Пропорциональное уменьшение размера наблюдается и для прослойки р- фазы. Анализ распределения легирующих элементов в деформированных участках сплава показал отсутствие концентрационной неоднородности в структуре субмикрокристаллических размеров (рис. 4).
В участках, в которых не произошла пластическая деформация, наблюдается концентрационная неоднородность легирующих элементов, что видно по концентрационному всплеску хрома в месте, где размер структурных составляющих составляет 1.2,5 мкм (см. рис. 4).
Рис. 3. Фрагменты структуры сплава ВТ3-1 после интенсивной пластической деформации методом винтовой экструзии
Рис. 4. Распределение легирующих элементов в деформированных участки сплава ВТ3-1 после ИПД методом винтовой
экструзии
Величина отдельных структурных составляющих сплава ВТ3-1 после однократного пластического деформирования методом винтовой экструзии предопределяет возможность получения ультрадисперсной и наноразмерной структуры во всем объеме образца. Несмотря на разрушение образца, вероятно, связанное с более низкой пластичностью сплава ВТ3-1 по сравнению со сплавом ВТ1-0, в обработанных образцах имелись участки деформации. При этом размер отдельных структурных составляющих уменьшился до 10 раз (размер а-пластин изменился с 2.4 мкм до 0,2 мкм).
На основании анализа результатов исследований можно сделать выводы о том, что сложнолегированные титановые сплавы можно наноструктурировать до размера структурных составляющих в пределах 100 нм методами интенсивной пластической деформации при оптимизации режимов обработки.
Наиболее перспективно получение наноструктуры в высокопрочных титановых сплавах, что позволит существенно повысить их прочностные характеристики, что дает серьезное преимущество титану перед другими конструкционными материалами, в том числе композиционными, и значительно расширит области его применения.
Особенно перспективно применение нано- и суб-микроструктурированных титановых сплавов в авиа-двигателестроении. Повышение комплекса механических и физических свойств титановых сплавов, используемых для производства лопаток компрессоров и вентиляторов, позволит повысить их запас прочности и ресурс. Другим перспективным направлением ис-
пользования наноструктурированных материалов является замена высоколегированных дорогих сплавов более дешевыми, свойства которых после нанострук-турирования будут обеспечивать требуемый запас прочности.
Таким образом, полученные результаты и их анализ свидетельствуют о перспективности использования наноструктурированных титановых сплавов в авиадвигателестроении и других отраслях техники. Однако их применение возможно только после оптимизации технологии наноструктурирования, а также проведения широкого комплекса исследований эксплуатационных, технологических и специальных свойств.
Перечень ссылок
1. Теория, расчет и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок: /В.И. Бакулев, В. А. Голубев, Б.А. Крылов, и др.; под редакцией В.А. Сосу-нова, В.М. Чопкина " М.: Изд-во МАИ, 2003. " 688 с.
2. Богуслаев В.А., Яценко В.К., Жеманюк П.Д., Пухальс-кая Г.В., Павленко Д.В., Бень В.П. Отделочно-упроч-няющая обработка деталей ГТД - Запорожье, изд. ОАО "Мотор Сич", 2005. - 559 с.
3. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотех-нологии. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. - 416 с.
4. Валиев Р.З., Александров И.В. Наноструктурные материалы, полученные методом интенсивной пластической деформации. М., Логос, 2000. 272 с.
5. Бейгельзимер Я.Е., Варюхин В.Н., Орлов Д.В., Сынков С.Г. Винтовая экструзия - процесс накопления деформации. - Донецк: Фирма ТЕАН, 2003. - 87 с.
Одержано 17.05.2007
Виконано аналiз перспектив застосування титанових cmaeie у наноструктурованому cmaHi. Показано, що iнтенсивна пластична деформацiя методом гвинтовог екструзИ сприяе зменшенню розмiру структурних елементiву складнолегованому титановому сплавi ВТ3-1.
The analysis of perspectives titanium alloys application in nanostructured state have been carried out. It has been shown, that the intensive plastic deformation by a method of screw extrusion contributes in reduction of structural element size in complexly alloyed titanium alloy ВТ3-1.
