CC BY
7
Машиностроение и машиноведение
УДК 621.785.3: 669.29
ПОВЫШЕНИЕ РЕСУРСНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕХНИЧЕСКОГО ТИТАНА ПУТЕМ ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ГАЗОНАСЫЩЕННЫХ СЛОЕВ
© 2018 А.Б. Коломенский1, С.В. Шахов1, Б.А. Коломенский1, И.В. Зубарев2
1ПАО «Воронежское акционерное самолетостроительное общество», г. Воронеж, Россия
2Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия
Аннотация: технология производства листовых полуфабрикатов из титановых сплавов (листов, лент и фольги) толщиной до 3,0 мм включает ряд операций, в том числе горячую прокатку в интервале температур 650-850 °С, а также травление с целью удаления газонасыщенных слоев. Наряду с отрицательным действием газонасыщенных слоев имеются сведения о том, что при неполном их стравливании проявляется эффект заметного повышения циклической долговечности титановых листов. Данный эффект повышения долговечности можно было бы использовать также с целью снижения безвозвратных потерь дорогостоящего материала. Отжиг является обязательной операцией для снятия остаточных напряжений в титановых конструкциях после операций сварки, штамповки, рихтовки. Исследовали совместное влияние газонасыщенных слоёв различной твёрдости и протяжённости и оксидных плёнок, формирующихся в процессе низкотемпературного воздушного отжига, на динамические и кратковременные механические характеристики технического титана марки ВТ1-0, широко используемого при производстве деталей и узлов авиационной техники. Показано, что регламентированные газонасыщенные слои могут повышать служебные механические характеристики листовых конструкций, подвергаемых отжигу для снятия напряжений. Оксидные плёнки, формирующиеся в процессе низкотемпературного воздушного отжига, могут оказывать полезное влияние на долговечность листов при повторно-статическом нагружении, а также повышать их ударную вязкость
Ключевые слова: технический титан, газонасыщенный слой, низкотемпературный воздушный отжиг, ресурсные характеристики
Введение
Технология производства листовых полуфабрикатов из титановых сплавов (листов, лент и фольги) толщиной до 3,0 мм включает ряд операций: горячая прокатка в интервале температур 650-850 °С, травление, теплая прокатка, промежуточный отжиг, травление (удаление газонасыщенных слоев), резка листов, сдача готовой продукции [1].
Одной из основных проблем производства титановых полуфабрикатов является активное взаимодействие с кислородом при температуре нагрева выше 650 °С, что приводит к окислению поверхности и образованию плотной окалины. Нагрев титана и его сплавов в интервале температур 300-600 °С сопровождается образованием поверхностной окисной пленки глубиной не более 20-85 нм. При повышении температуры нагрева происходит растворение кислорода в матрице основного металла с образованием газонасыщенных (альфированных) слоев повышенной твердости и хрупкости. В альфи-рованном слое содержание кислорода посте-
пенно уменьшается от предела растворимости кислорода в а-фазе до его содержания в основном металле [2].
Известно, что толщина газонасыщенных слоев зависит от температуры и длительности нагрева. В работе [3] имеются данные о кинетике окисления технического титана марки ВТ1-0 на воздухе при температуре 200-800 °С при длительном нагреве от 25 до 1000 часов. После отжига при температуре 800 °С длительностью 25-500 часов толщина газонасыщенных слоев составила 75-660 мкм.
По мнению большинства авторов, газонасыщенные слои, образовавшиеся при высокотемпературном нагреве, снижают механические свойства титановых сплавов, особенно сильно это влияние происходит при циклических нагрузках [4-6].
В работе [7] приведены данные о повторно-статической выносливости листовых образцов толщиной 2 мм с отверстием-концентратором после воздушного отжига в течение 1 ч. Показано, что при температуре отжига 750 °С повторно-статическая выносли-
вость образцов снижается практически на 50 % по сравнению с образцами без отжига. Наряду с отрицательным действием газонасыщенных слоев в литературных данных [8] было показано, что при неполном их стравливании появляется эффект заметного повышения циклической долговечности. Эффект повышения долговечности можно было бы использовать с целью уменьшения глубины травления при производстве листовых титановых полуфабрикатов. Сохраняя полезную часть газонасыщенных слоев для повышения механических характеристик титановых сплавов, можно также одновременно достигать снижения безвозвратных потерь дорогостоящего материала.
В настоящее время технология производства листовых титановых конструкций, в частности для авиационной промышленности, включает в себя операции сварки, гибки, штамповки, рихтовки, которые, в свою очередь, сопровождаются последующим отжигом для снятия остаточных напряжений [9].
В данной работе исследовали совместное влияние газонасыщенных слоёв различной твёрдости и протяжённости и оксидных плёнок, формирующихся в процессе низкотемпературного воздушного отжига, на динамические и кратковременные механические характеристики технического титана марки ВТ1-0, широко используемого при производстве деталей и узлов авиационной техники.
Методика проведения эксперимента
Образцы изготавливали из листов технического титана ВТ1-0 толщиной 0,8-1,2 мм (рисунок). После вырезки образцы подвергали высокотемпературному воздушному отжигу в течение 2 ч. при температуре 800 °С в лабораторной печи с целью формирования регламентированного газонасыщенного слоя глубиной 100 мкм [10, рисунок, а]. Удаление поверхностной окалины выполняли пескоструйной обработкой при избыточном давлении 0,1 МПа с целью избегания поверхностного наклепа, послойное облагораживающее травление выполняли в смеси кислот ЫБ и ЫЫ03 с целью исключения наводороживания. Микротвердость поверхности образцов после мерного травления определяли на приборе ПМТ-3 с нагрузкой на инден-тор 0,51 Н по методике, описанной в работе [10]. Одночасовой низкотемпературный воз-
душный отжиг - в интервале температур 350650 °С.
Испытания на повторно-статическую долговечность выполняли на модернизированной установке УММ-10 при коэффициенте асимметрии цикла Я=+0,1 и частоте циклов f =0,6-0,8 Гц при максимальном напряжении цикла отах = 290 МПа.
Испытания образцов на ударную вязкость (КСи) производили согласно требованиям ГОСТ 9454-78 на маятниковом копре со шкалой 5 кгм. Для исключения потери устойчивости и изгиба листовых образцов в процессе испытания применяли специальное приспособление.
Кратковременные механические характеристики определяли на разрывной машине ГЫ-SPEKT-50.
160
1125
Ф12
Ф2.5
ф
60
112
а)
т
-» л
1 55
И=25
б)
160
в)
Образцы для испытаний на: а - повторно-статическую долговечность; б - ударную вязкость; в - кратковременный разрыв
Результаты испытаний, представленные табл. 1-3, определяли как среднее значение по пяти параллельным образцам.
Результаты испытаний и их обсуждение
1. Влияние газонасыщенных слоев и режимов отжига на повторно-статическую долговечность
В работе [10, рисунок, а] приведена зависимость микротвёрдости поверхности сплава ВТ1-0 после отжига при 800 °С , 2 ч. от глубины травления, глубина газонасыщенного слоя после предварительного отжига составляет 100 мкм.
В табл. 1 приведены результаты испытаний образцов на повторно-статическую долговечность при наличии газонасыщенных слоев различной твердости без низкотемпературного отжига, а также с отжигом в интервале температур 350-650 °С.
Таблица 1
Результаты испытаний образцов на повторно-статическую долговечность
Из представленных результатов в табл. 1 видно, что максимум долговечности образцов без отжига достигается при стравливании газонасыщенного слоя на глубину 1тр~35 мкм при перепаде микротвердости АИУ=39,4%. При этом повторно-статическая долговечность возрастает на ~20% по сравнению с образцами с полностью удалённым газонасыщенным слоем 1тр=100 мкм. При испытании образцов после низкотемпературного отжига максимум долговечности достигается при температуре Тотж=450 °С в течение 1 ч. при глубине травления 1тр=48 мкм. Важно отметить, что максимум
наблюдается для всех перепадов микротвердости 39,4-19%, а также для образцов с полностью удаленным слоем. Повышение долговечности в сравнении с металлом без подслоя при этом составляет ~1,4...1,5 раза.
2. Влияние газонасыщенных слоев и режимов отжига на ударную вязкость
Ударная вязкость является одной из важных механических характеристик, отвечающей за работоспособность материала в условиях кратковременного динамического нагружения. Ударная вязкость особенно чувствительна к повышению твердости материала, также в литературных данных практически отсутствуют данные о влиянии газонасыщенных слоев на данную характеристику.
В табл. 2 представлены результаты испытаний образцов на ударную вязкость технического титана ВТ1-0 при наличии газонасыщенных слоев без низкотемпературного отжига, а также влияние одночасового воздушного отжига в интервале температур 350-650 °С.
Таблица 2
Результаты испытаний образцов на ударную вязкость
кси, кгм/см2
мкм (АИУ %) Т А отж. =0 °С Т =3 А отж. 50 °С Т =4 А отж. ^ 50 °С Т =5 А отж. ^ 50 °С Т = А отж. 650 °С
27
мкм 20,5 24,8 22,5 17,1 15,5
(78%)
33
мкм 19,4 22,5 22,2 17,1 17,5
(48%)
48
мкм 17,7 19,1 22,2 18,3 17,9
(19%)
100
мкм 19,4 22,0 23,9 16,2 17,2
(0%)
Из полученных результатов видно, что максимум ударной вязкости достигается при более высокой микротвердости 78 % по сравнению с повторно-статической долговечностью для образцов без отжига. Последующий низкотемпературный отжиг повышает ударную вязкость в интервале температур 350-450 °С, при увеличении температур отжига в диапазоне 550-650 °С приводит к снижению ударной вяз-
N
мкм (АИУ %) Т А отж. =0 °С Т =3 А отж. 50 °С Т =4 А отж. ^ 50 °С Т =5 А отж. ^ 50 °С Т = А отж. 650 °С
35
мкм (39,4 %) 6902 7285 7600 6280 4822
39
мкм (28,5 %) 6086 6618 8172 7007 6044
48
мкм 4899 7869 8319 6738 5362
(19%)
100
мкм 5765 6265 6337 5186 4785
(0%)
кости, как для металла с газонасыщенным слоем так и без него, что связано с началом растворения кислорода в титане. Также важно отметить, что максимальное значение ударной вязкости достигается при температуре отжига 450 °С для образцов без газонасыщенного слоя.
3. Влияние газонасыщенных слоев и режимов отжига на временное сопротивление разрыву
Практический интерес представляют испытания на временное сопротивление разрыву. Испытания проводили на образцах (см. рисунок, в) с регламентированными газонасыщенными слоями, а также без слоя. Результаты испытаний на временное сопротивление разрыву представлены в табл. 3.
Таблица 3
Результаты испытаний образцов на временное сопротивление разрыву
мкм (ДНУ %) ов, МПа
Т = 1 отж. 0 °С Т= 1 отж. 350 °С Т = отж. 450 °С Т= 1 отж. 550 °С Т= 1 отж. 650 °С
27 мкм (78%) 334,4 334,5 341,0 335,7 334,1
33 мкм (48%) 333,9 335,9 332,8 333,3 327,4
48 мкм (19%) 324,0 330,2 332,6 326,4 329,0
100 мкм (0%) 325,0 326,2 326,1 327,6 326,4
Из представленных данных видно, что максимум значений ов технического титана ВТ1-0 достигается при глубине травления 1тр.~27 мкм, восстановление значений временного сопротивления до уровня основного металла происходит при глубине травления 1тр.~48 мкм. Поверхностное окисление при отжиге в интервале температур 350-650 °С не оказывает значительного влияния на значения ов.
Выводы по работе
1. Показано, что максимальные значения повторно-статической долговечности, ударной вязкости технического титана ВТ1-0 достигаются при травлении газонасыщенных слоев на глубину 33-48 мкм.
2. Низкотемпературный воздушный отжиг в интервале температур 350-550 °С даёт дополнительный прирост долговечности в 1,1...1,4 раза при перепадах микротвердости АИУ=20-28,5% в сравнении с металлом без газонасыщенного подслоя. Оптимальная температура отжига Тотж=450 °С.
3. Временное сопротивление разрыву технического титана восстанавливается при оптимальных перепадах микротвердости, выявленных при испытаниях на повторно-статическую долговечность и ударную вязкость. Оксидные пленки, формирующиеся в процессе низкотемпературного отжига, не оказывают значительного влияния на данный показатель.
4. Получены критерии для выбора режимов отжига деталей из технического титана при наличии поверхностных газонасыщенных слоев и оксидных пленок.
Литература
1. Полуфабрикаты из титановых сплавов / В.К. Александров, Н.Ф. Аношкин, Г.А. Бочвар и др. М.: Металлургия, 1979. 512 с.
2. Колачев Б.А., Ливанов В.А., Елагин В.И. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов, М.: Металлургия, 1981. 416 с.
3. Корнилов И.И., Забродская М.Н., Борискина Н.Г. Кинетика длительного окисления титана // МиТОМ. 1977. №3. С. 49-51.
4. Матюшкин Б.А., Горшков А.И. О влиянии газонасыщенного слоя на образование трещин при замедленном разрушении сплавов титана после сварки // Сварочное производство. 1976. № 4. С. 11-12
5. Титановые сплавы в машиностроении/ Б.Б. Чечулин, С.С. Ушков, И.Н. Разуваева, В.Н. Гольдфайн. М.: Машиностроение, 1977. 248 с.
6. Влияние состояния поверхности на характеристики работоспособности листов из титановых сплавов ОТ4 и ВТ14/ В.Н. Моисеев, А.П. Пономарев, Л.В. Шохолова, Ю.А. Грибков //Легирование и термическая обработка титановых сплавов: сб. ст. ОНТИ ВИАМ, 1977. С. 307310.
7. Горшков А.И., Вакс И.А. Влияние температуры отжига на величину остаточных напряжений и свойства сварных соединений из сплава ОТ4 // Сварочное производство. 1967. №8. С.37-39.
8. Матюшкин Б.А., Горшков А.И. О влиянии газонасыщенного слоя на образование трещин при замедленном разрушении сплавов титана после сварки // Сварочное производство. 1976. № 4. С. 11-12.
9. Сварные соединения титановых сплавов/ В.Н. Моисеев, Ф.Р. Куликов, Ю.Г. Кириллов, Ю.В. Вась-кин. М.: Металлургия,1979. 248 с.
10. Коломенский А.Б., Шахов С.В., Коломенский А.Б. Влияние газонасыщенных слоёв и оксидных плёнок
на ударную вязкость титановых сплавов различных групп прочности // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2017. Т. 13. № 2. С. 132-140.
Поступила 10.04.2018; принята к публикации 05.05.2018 Информация об авторах
Коломенский Александр Борисович - д-р техн. наук, главный металлург, ПАО «Воронежское акционерное самолетостроительное общество» (394029, Россия, г. Воронеж, ул. Циолковского, 27), e-mail: metallurg@air.vrn.ru
Шахов Сергей Викторович - ведущий инженер-конструктор, ПАО «Воронежское акционерное самолетостроительное общество» (394029, Россия, г. Воронеж, ул. Циолковского, 27), e-mail: shahovsv@gmail.com
Коломенский Борис Александрович - канд. техн. наук, помощник директора по качеству, ПАО «Воронежское акционерное самолетостроительное общество» (394029, Россия, г. Воронеж, ул. Циолковского, 27), e-mail: b-kolomenskiy@air.vrn.ru Зубарев Игорь Валентинович - канд. техн. наук, доцент, Воронежский государственный технический университет, (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: zubarev71@gmail.com
INCREASING THE RESOURCE CHARACTERISTICS OF THE TECHNICAL TITAN BY OPTIMIZING THE PARAMETERS OF THE GAS-SATURATED LAYERS
A.B. Kolomenskiy1, S.V. Shakhov1, B.A. Kolomenskiy1, I.V. Zubarev2
'Voronezh Aircraft Production Association, Voronezh, Russia 2Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia
Abstract: the technology for the production of sheet semi-finished products from titanium alloys (sheets, tapes and foils) with the thickness up to 3.0 mm includes a number of operations, including hot rolling in the temperature range 650-850 °C, as well as etching to remove gas-saturated layers. Along with the negative effect of gas-saturated layers, there are indications that when they are incompletely removed, the effect of a significant increase in the cyclic durability of titanium sheets appears. This effect can also be used to reduce the irreversible loss of such an expensive material. Annealing is a mandatory operation to remove residual stresses in titanium structures after welding, stamping, straightening operations. The article studies the combined influence of gas-saturated layers of various hardness and length and oxide films formed in the process of low-temperature air annealing on the dynamic and short-term mechanical characteristics of technical titanium VT1-0, widely used in the manufacture of parts and components of aviation equipment. It is shown that regulated gas-saturated layers can enhance the service mechanical characteristics of sheet structures subjected to annealing to relieve stresses. Oxide films formed in the process of low-temperature air annealing can have a useful effect on the durability of sheets under repeated static loading, and also increase their impact toughness
Key words: technical titanium, gas-saturated layer, low-temperature air annealing, resource characteristics
References
1. Aleksandrov V.K., Anoshkin N.F., Bochvar G.A. "Semi-finished products of titanium alloys" ("Polufabrikaty iz titanovykh splavov"), Moscow, Metallurgiya, 1979, 512 p.
2. Kolachev B.A., Livanov V.A., Elagin V.I. "Metallography and heat treatment of nonferrous metals and alloys" ("Metal-lovedenie i termicheskaya obrabotka tsvetnykh metallov i splavov"), Moscow, Metallurgiya, 1981, 416 p.
3. Kornilov I.I., Zabrodskaya M.N., Boriskina N.G. "Kinetics of long-term oxidation of titanium", Metal Science and Heat Treatment (MiTOM), 1977, no. 3, pp. 49-51.
4. Matyushkin B.A., Gorshkov A.I. "On the effect of the gas-saturated layer on the formation of cracks in the delayed fracture of titanium alloys after welding", Welding Engineering (Svarochnoe proizvodstvo), 1976, no. 4, pp. 11-12
5. Chechulin B.B., Ushkov S.S., Razuvaeva I.N., Goldfain V.N. "Titanium alloys in mechanical engineering" ("Titanovye splavy v mashinostroyenii"), Moscow, Mashinostroenie,1977, 248 p.
6. Moiseev V.N., Ponomarev A.P., Sholohova L.V., Gribkov U.A. "The influence of surface conditions on characteristics of health sheets from titanium alloys OT4 and VT14", Into the proc. "Doping and heat treatment of titanium alloys" (V sb. statey "Legirovanie I termicheskaya obrabotka titanovykh splavov"), ONTI VIAM, 1977, pp. 307-310.
7. Gorshkov A.I., Vaks I.A. "Influence of annealing temperature on residual stresses and properties of welded joints of alloy OT4", Welding Engineering (Svarochnoe proisvodstvo), 1967, no. 8, pp.37-39.
8. Matyushkin B. A., Gorshkov A. I. "On the effect of the gas-saturated layer on the formation of cracks in the delayed fracture of titanium alloys after welding", Welding Engineering (Svarochnoe proisvodstvo), 1976, no. 4, pp. 11-12.
9. Moiseev V.N., Kulikov F.R., Kirülov U.G., Vas'kin U.V. "Welded joints of titanium alloys" ("Svamye soedineniya titano-vykh splavov"), Moscow, Metallurgia, 1979, 248 p.
10. Kolomenskiy, A.B., Shakhov S.V., Kolomenskiy B.A. "Effect of gas-saturated layers and oxide films on the toughness of titanium alloys of different grades", ne Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta), 2017, no. 2, pp. 132-140.
Submitted 10.04.2018; revised 05.05.2018
Information about the authors
Aleksandr B. Kolomenskiy, Dr. Sc. (Technical), Professor, Chief Metallurgist, Voronezh Aircraft Production Association (27 Tsiolkovskogo st., Voronezh 394029, Russia), e-mail: metallurg@air.vrn.ru
Sergey V. Shakhov, Leading Engineer, Voronezh Aircraft Production Association (27 Tsiolkovskogo st, Voronezh 394029, Russia), e-mail: shahovsv@gmail.com
Boris A. Kolomenskiy, Cand. Sc. (Technical), Assistant Quality Director, Voronezh Aircraft Production Association (27 Tsiolkovskogo st., Voronezh 394029, Russia), e-mail: b-kolomenskiy@air.vrn.ru
Igor' V. Zubarev, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: zubarev71@gmail.com
