CC BY
20
-Ф-
■Ф-
МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ.
КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Научный редактор раздела докт. техн. наук, профессор Г. С. Гарибов
УДК 621.762:669.295
СТРУКТУРА ГРАНУЛ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ
Г. А. Бочвар, докт. техн. наук (ОАО «ВИЛС», e-mail: info@oaovils.ru)
Рассмотрены примеры дендритного строения титановых сплавов в литом состоянии. Показана закономерность образования структуры в гранулах а-, (а + Р)- и р-титановых сплавов.
Рассмотрена возможность измельчения структуры в зонах усадочных пор при ВГО. Химическая неоднородность распыляемого электрода может наследоваться гранулами и приводить к неоднородной структуре компакта. Уменьшение размера гранул устраняет структурную и химическую неоднородность компакта.
Ключевые слова: гранулы; дендритное строение; пористость; ликвация; ВГО.
Structure of Titanium Alloy Powder. G.A. Bochvar.
Examples of a dendritic structure of as-cast titanium alloys are discussed. Mechanism of structure development in а-, (а + P)- and p-titanium alloy powders are shown.
The possibility of grain refining in shrinkage cavity zones during hot isostatic pressing (HIP) is discussed. Chemical inhomogeneity of an electrode to be atomized can be inherited by powder particles and can result in development of an inhomogeneous "(i*)-structure in compacts. A reduction in powder particle size eliminates structural and chemical inhomogeneity of the compacts.
Key words: powder; dendritic structure; porosity; segregation; HIP.
При исследовании литой структуры титановых сплавов обычно не удается выявить их
Рис. 1. Дендритные структуры в литых титановых сплавах:
а - поверхность отливки сплава ВТ1 -0, 0 50 мм, Л = 12 мм, х 40 б - поверхность гранулы сплава ВТЗ-1, х 2500
дендритное строение. Однако это не значит, что им не присуща дендритная кристаллизация. Кажущееся отсутствие ее связано с рядом факторов: узким температурным интервалом кристаллизации большинства серийных сплавов, длительным пребыванием металла при высоких температурах в процессе охлаждения после кристаллизации и с процессом фазовой перекристаллизации. В тоже время дендритный характер строения литых титановых сплавов наблюдается в усадочных раковинах или на поверхности небольших, быстроохлажденных отливок (рис. 1).
При исследовании дендритного строения слитков титановых
сплавов было показано, что возможны различные варианты соответствия зеренного и дендритного строения:
- зерно включает в себя в основном один дендрит;
- зерно включает два и более дендритов с параллельными осями первого и второго порядков;
- зерно включает пучок параллельных между собой осей второго порядка одного дендрита;
- ось первого порядка этого дендрита совпадает с границей зерна;
- зерно включает два или несколько различно ориентированных дендритов или их частей .
Связь дендритного и зеренного строения была достаточно четко показано В. В. Тетюхи-ным при сравнительном исследовании структуры и радиограмм образцов титановых слитков [1].
При существенном повышении скорости кристаллизации титановых сплавов, реализуемом, в частности, в процессе производства гранул, может происходить образование структур мартенситного или дендритно-яче-истого типа (рис. 2).
Гранулы из технического титана и а-спла-вов всегда имеют мартенситную структуру, что связано с незначительным развитием дендритной ликвации (вследствие узкого температурного интервала кристаллизации) и с низкой стабильностью р-фазы в этих сплавах, не фиксируемой даже в условиях высоких скоростей охлаждения. Образующаяся мартенситная структура вуалирует дендритную структуру в процессе кристаллизации.
Гранулы двухфазных (а + Р)-титановых сплавов мартенситного класса имеют мартенситный или дендритно-ячеистый характер структуры. Большинство гранул сплавов типа ВТЗ-1,
ВТ8, ВТ9 имеют дендритно-ячеистую структуру и значительно реже, только в гранулах небольшого размера некоторых сплавов ( на -пример, ВТ8), наблюдается мартенситная структура. Структура гранул сплава ВТ6 практически всегда мартенситного типа, хотя при сильном травлении и исследовании в косом освещении на фоне мартенсита хорошо видно дендритное строение гранул.
Гранулам всех размеров высоколегированного (а + Р)-сплава ВТ22 и р-сплава типа 4201 присуще дендритно-ячеистое строение.
Структурно-фазовое состояние, фиксируемое в гранулах титановых сплавов, определяется степенью неоднородности химического состава, которая связана с процессом дендритной кристаллизации, и стабильностью образовавшейся при этом р-фазы переменного состава.
Закономерности образования структурно-фазового состояния гранул титановых сплавов можно рассмотреть с использованием схем, подобных приведенным на рис. 3, где показаны возможные случаи изменения стабильности р-фазы вследствие дендритной ликвации в сплавах различного химиче -ского состава, легированных элементами, повышающими (см. рис. 3, а) или понижающими температуру плавления титана (см. рис. 3, б). При этом делается ряд допущений: не учитываются процесс выравнивающей диффузии, возможность образования мартенсита различного типа; принимается, что степень дендритной ликвации во всех рассмат-
а -
Рис. 2. Микроструктура гранул из титановых сплавов:
сплав ВТ6, х 250; б - сплав ВТЗ-1, х 400
Рис. 3. Схемы влияния дендритной ликвации на фазовый состав гранул из титановых сплавов мартенситного класса
риваемых сплавах примерно одинаковая и ограничивается достижением жидкой фазы концентрации, соответствующей температуре равновесного солидуса сплава.
На рис. 3, а показана схема для сплава, легированного элементом, понижающим температуру плавления титана (например, ванадием). Можно видеть, что в сплаве во всем интервале концентраций легирующего элемента в закристаллизовавшейся р-фазе переменного состава будет проходить мартен-ситное превращение.
На рис. 3, б дана схема для сплава, легированного элементом, повышающим температуру плавления титана (например, молибденом). В этом случае в сплаве вследствие дендритной ликвации в осях дендритов будет фиксироваться р-фаза, а в межосных пространствах - мартенсит а' или а'', в результате чего четко выявляется дендритный характер кристаллизации гранул.
Представленные диаграммы позволяют объяснить отмеченные выше различия в характере структуры гранул сплава ВТ6 (системы Т1-А!-У) и сплавов типа ВТ8, ВТ9 (Т1-А!-Мо). Сплав ВТ6, имеющий мартенситную структуру, аналогичен сплаву, показанному на рис. 3, а, сплавы ВТ8 и ВТ9, имеющие дендритно-яче-истую структуру, аналогичны сплаву, представленному на рис. 3, б.
Образование мартенситной структуры во всем объеме мелких гранул сплава типа ВТ8 можно объяснить более высокой скоростью
их охлаждения. Известно, что при сверхбыстрой кристаллизации увеличение ее скорости снижает степень дендритной ликвации (вплоть до получения аморфных состояний). С уменьшением различий в химическом составе и в стабильности р-фазы в осях и межосных пространствах мартенситное превращение протекает во всем объеме таких гранул.
Более подробный анализ возможных вариантов влияния дендритной ликвации на фазовый состав гранул из сплавов различного химического состава приведен в работе [2].
Изучение структуры титановых сплавов в литом состоянии и закономерностей ее формирования позволило выявить ее основные особенности, отрицательно влияющие на комплекс механических свойств литого металла, и проанализировать возможные пути ее оптимизации. Такими особенностями структуры в слитках а- и (а + Р)-сплавов, вне зависимости от используемых в настоящее время технологий их производства, являются крупнозернистость, неоднородность структуры по объему и пластинчатое внутризерен-ное строение, связанное со значительным перегревом жидкого металла и малой скоростью кристаллизации и фазовой перекристаллизации. Отрицательное влияние оказывают также различные виды ликвации, не всегда проявляющиеся при исследовании макро- и микроструктуры.
Структура литого металла в титановых сплавах, как правило, характеризуется крупно-пластинчатым внутризеренным строением. Усадочная макро- и микропористость, в том числе междендритная, которая особенно сильно проявляется по мере повышения легиро-ванности сплавов и увеличения температурного интервала кристаллизации, существенно снижает их механические свойства, особенно пластичность и усталостную прочность.
Эффективным способом устранения всех видов пористости является высокотемпературная газостатическая обработка [3, 4]. Ранее было отмечено, что газостатическая обработка приводит к полному залечиванию пор и получению 100 %-й плотности металла, а в зонах бывшей несплошности структура измельчается и становится аналогичной структуре деформированного металла. На рис. 4 и 5
С
С
С
н
к
н
м
а
Рис. 4. Микроструктура литого образца из сплава ВТ5Л после ВГО при 1200 °С в зоне бывшей усадочной раковины (а) и плотного металла (б), х 200
Рис. 5. Микроструктура литого образца из сплава В Т20Л
после ВГО при 900 °С в зоне бывшей усадочной раковины (а) и плотного металла (б), х 200
показано, что там, где раковины и пористость отсутствовали, сохраняется исходная грубозернистая пластинчатая структура. В то же время в зонах бывших несплошностей структура аналогична строению металла, деформированного при температурах, соответствующих температуре ВГО.
Проведенные расчеты показали, что добавка 1,8-2,2% гидрида титана создает 2-5% пористости всего объема металла, которая устраняется при ВГО, и в зонах бывшей пористости обеспечивается деформированная структура металла [5].
В перспективе можно надеяться, что при условии создания в отливках регламентированной пористости, равномерно распределенной по всему их объему, можно будет получить структуру, близкую к структуре деформированного металла [6].
В настоящее время при производстве гранул методом распыления вращающегося литого или деформированного электрода в случае наличия химической неоднородности, присущей распыляемому электроду, гранулы наследуют эту химическую неоднородность. Различие химического состава разных гра-
нул чаще проявляется при обработке компактов вблизи температуры полного полиморфного превращения (рис. 6). Поэтому при производстве литых гранул из титановых сплавов стоит задача в повышении однородности химического состава и микроструктуры различных гранул.
Изучение структуры компактов из гранул показывает, что заполнение несплошностей между гранулами, в основном, происходит в
Рис. 6. Микроструктура заготовки из гранул сплава ВТЗ-1 после обработки вблизи температуры полного перехода в однофазное р -состояние, х 200
Рис. 7. Микроструктура заготовки из гранул сплава ВТЗ-1 после стандартной термической обработки, х 200
результате деформации тех гранул, которые имеют более высокую технологическую пластичность за счет отличия химического состава, размера или структурно-фазового состояния, при этом отдельные гранулы могут вовсе не претерпевать деформации. Было отмечено, что в гранулах некоторых сплавов, отличаю-
щихся по размеру, наблюдается различие в типе их структуры, которое может быть связано как с отличием их химического состава (в т.ч. содержания газовых примесей), так и скорости кристаллизации и фазовой перекристаллизации гранул разного размера (рис. 7).
Повышение структурной однородности изделий из гранул может быть обеспечено не только за счет повышения однородности химического состава электродов и самих гранул, но и за счет уменьшения различия в размерах используемых гранул. При этом положительным фактором будет также уменьшение размера гранул, что обеспечивает получение в них более тонкого дендритного строения, меньшего размера участков с различной структурой в изделиях из гранул.
Таким образом, повышение химической однородности электродов и гранул, уменьшение их размеров и правильно выбранные режимы газостатической обработки повышают качество компактов из титановых гранул.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бочвар Г.А., Тетюхин В.В., Чистяков Е.П.
Структура и свойства литого металла // В кн.: Плавка и литье титановых сплавов. - М.: Металлургия, 1994. С.272-318.
2. Бочвар Г.А. Влияние скорости фазовой перекристаллизации на формирование структуры титановых сплавов // Технология легких сплавов.
1992. № 10. С. 12-14.
3. Бочвар Г.А., Яновская Н.В. Влияние высокотемпературной газостатической обработки на процесс формирования структуры и механических свойств литых титановых сплавов // Титан.
1993. № 1. С. 21-23.
4. Bochvar G.A., Yanovskaya N.V. Some physical metallurgical aspects of HIP densification of titanium alloy shaped castings / Proceedings of International Conference on Hot Isocratic Pressing (HIP'02), May 20-22, 2002. - Moscow: VILS, 2003. P. 211-216.
5. Ходоровский Г.Л., Бочвар Г.А., Фомичева Т.Н. и др. О применении деформируемых титановых сплавов для фасонного литья // В кн.: Металловедение и обработка титановых и жаропрочных сплавов. - М.: ВИЛС. 1991. С. 46-51.
6. А. с. 1254633 СССР. Способ получения литых деталей / Ходоровский Б.Л., Бочвар Г.А. и др. 1989.
С ЮБИЛЕЕМ !
1 июня 2016 года исполнилось 80 лет лауреату Государственной премии, доктору технических наук ГЕОРГИЮ АНДРЕЕВИЧУ БОЧВАРУ - известному ученому в области металловедения и технологии титановых сплавов, главному научному сотруднику Всероссийского института легких сплавов.
Коллектив ВИЛСа и редколлегия журнала поздравляют Георгия Андреевича с юбилеем, желают ему здоровья и творческого долголетия.
