CC BY
11
12a /я
гттгп гг Fmfijjrrrn:f,
(35). 2005 -
АТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
TT>e technological aspects of elevation of complex of the articles mechanical characteristics, including weld ones, of (a-<p) titanium alloy BT23 in the process of thermal treating are examined. The problem of industrial use of half-finished products and products with wide palette of structures of plate type in strengthened state is studied due to investigation of advantages and deficiencies of each one.
V
В. Н. ФЕДУЛОВ, БНТУ
УДК 621.74
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПОВЫШЕНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ СВОЙСТВ ПРИ ПРОМЫШЛЕННОМ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ДВУХФАЗНЫХ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ
Большое практическое значение имеет повышение конструктивных свойств изделий из (а+р)-титановых сплавов за счет совершенствования технологии термической обработки. Так, например, разработан новый режим отжига: нагрев 600-620°С (i=n3n20-300 °С), 0,5-1,0 ч, охлаждение на воздухе, горячедеформированных полуфабрикатов из сплава ВТ23 (л„л=920 °С), обеспечивший устойчивость структуры при последующем нагреве до 500°С и позволивший обеспечить повышение ранее установленного гарантированного уровня прочности деталей на 50—150 МПа в зависимости от толщины конкретного полуфабриката, полученного посредством горячей деформации [1]. Ранее использовали режим: 700—750°С, 2 ч, охлаждение на воздухе.
Подробно изучали вопросы повышения уровня и стабильности механических свойств деталей из горячедеформированных плит сплава ВТ23 посредством упрочнения старением в интервале 400—450°С. На первом этапе был установлен оптимальный режим термической обработки: 430°С, 10 ч, для плит толщиной более 60 мм. С применением структурных исследований рассмотрены вопросы зависимости оЛ, 5у, KCU и МЦУ от толщины плиты и даны практические рекомендации по оптимизации свойств. Оценено влияние технологических параметров процесса старения: атмосфера в печи [2] и скорость охлаждения после старения [3] на уровень механических свойств, трещиностойкость и МЦУ образцов из плит сплава ВТ23. Старение при 430-450°С целесообразно проводить в воздушной печи вместо вакуумной, а -охлаждение выполнять ускоренно на воздухе и даже в воде, механическую обработку проводить после старения. При обеспечении достаточной прочности следует производить дополнительный (одно- или двукратный) нагрев заготовок до температур на 100°С выше температуры предыдущего старения с охлаждением в
воде, что особенно способствует повьппению трещи-ностойкости сплава [4]. Для повышения малоцикло-юй усталости готовых деталей, подвергавшихся кратковременному печному нагреву с последующим охлаждением на воздухе или в воде в окончательно обработанном виде, следует проводить пескоструйную обработку по известной технологии.
Перспективным явилось использование охлаждения при высокотемпературной термической обработке на воздухе и последующего старения для упрочнения заготовок из сплава ВТ23 сечением до 160 мм. Выбор температуры нагрева от 850 до 900°С и корректировка времени выдержки при этой температуре от 0,3 до 1,0 ч (вместо 750°С, 2 ч), охлаждение на воздухе и старение: 450-525°С, 6-10 ч, позволили значительно (на 50-100 МПа) повысить уровень упрочнения и весь комплекс механических свойств [5].
Исследовали кинетику процессов старения сплава ВТ23, закаленного с 850°С с различной интенсивностью: 0,3-28°С/с. Повышение скорости охлаждения способствует смещению процесса образования мелкодисперсной а-фазы при последующем старении в область более низких температур со сменой механизмов распада метастабильных фаз и характеризуется большей неоднородностью распада, повышением прочности и резким снижением пластичности. В связи с этим следует рекомендовать для промышленного производства скорость охлаждения изделий из сплава ВТ23 не выше 9°С/с [6]. Для случаев закалки с 850°С со скоростями 0,3, 1,0, 3,0, 4,0 и 7,0°С/с даны рекомендации по температурному и временному параметрам проведения процессов старения и определены предлагаемые уровни механических свойств [7, 8].
Весьма любопытно влияние технологических параметров термической обработки: температура «редварительного отжига (860-1050°С), температура (760—850°С) и время (0,5-2,0 ч) нагрева под закалку, температура (450-600°С) старения, про-
ведение кратких нагревов (на 100—150°С выше температуры старения) на изменение пластичности, ударной вязкости, трещиностойкости (КСТ) и малоцикловой усталости гладких образцов и образцов с острым надрезом при упрочнении на уровень аз« 1225 МПа (125 кгс/ммЛ) заготовок плиты толщиной 100 мм из сплава ВТ23. В связи с этим исследованы положительные и отрицательные аспекты действия каждого из факторов на основные характеристики механических свойств и показано, как, варьируя технологическую схему термической обработки, можно достигать различных сочетаний конструктивных свойств изделий.
Аспекты повышения уровня и однородности механических свойств околошовной зоны сварных изделий до сих пор актуальны, например, для листов толшиной 3 мм сплава ВТ23 определены распределение температуры при удалении от места сварки, характер изменения формы и кристаллографической текстуры фаз и механических свойств при имитационном кратком нагреве образцов в интервале 700—1260°С в соляной ванне и последующем охлаждении на воздухе. Анализ изменений кристаллографической текстуры обеих фаз после нагрева служил средством определения^ и изучения процессов рекристаллизации, используя наличие определенного соответствия между исходной и конечной текстурами (3- и а-фаз при ориентированных прямых и обратных фазовых переходах, основанного на соотношениях Бюргер-са между их кристаллическими решетками. Подробно рассмотрены текстурно-фазовые переходы в сплаве ВТ23 и их влияние на механические свойства образцов. Рентгеноструктурное исследование наличия текстурно-фазовых переходов во всем сечении образцов служило критерием при определении того, полностью ли переходит сплав в р-состояние при нагреве или нет, что позволило установить фактическую температур^ В исходном состоянии сплав ВТ23 в листе представлял собой смесь двух фаз: а(глобули) и р. Первичная рекристаллизация при нагреве 700— 900° С (ниж^пп= 920° С) значительно снижает прочность и повышает пластичность сплава ВТ23. Нагрев до 970°С и выше характеризуется сильными изменениями в структуре сплава, характерными для вторичной рекристаллизации: одновременная смена формы и текстуры фаз и изменение волокнистой р-зеренной структуры на полиэдрическую, что значительно повышает прочность сплава и резко снижает пластичность (особенно для нагрева при 1000°С и выше). Грубая р-превращенная структура характеризуется следующими механическими свойствами: а в=1200 МПа, 5=8-9%, а=27°, КШ=0,4 МДж/мл, КСУ= =0,1МДж/мл (1000°С); а „ =1300 МПа, 5=4,5%, а=1Г, КСи =0,25 МЦж/м\ КСУ=0,1МДж/м2 (1100°С); 0в-1250 МПа, 5=4%, а=1Г, КГО= =0,22 МДж/м2, КСУ=0,1МДж/мл (1260°С). Для сравнения — для исходного состояния 0Л=1075 МПа, 5=13-15%, а=48-52°, КСи=0,7" МДж/мл,
лг:ттгг- г ттггжг/ юк
- 3 (35). 2005 / I£Ч|
КСУ=(),5 МДж/мл: для 900°С - 0^980 МПа. 5=11%. а=45", КСи=0.45 МДж/мЛ, КСУ= =0,3 МДж/м1
Разработаны режимы термической обработки сварных соединений на уровни ол_>980 МПа. о_>1080 МПа и ал>1180 МПа. Нагрев образцов (в исходном состоянии и подвергнутых предварительному имитационному нагреву при 200— 1260°С) при температуре 650°С в течение 30 мин и последующее охлаждение на воздухе способствуют получению уровня прочности в интервале от 0Л=980-1150 МПа |1|. Причем механические свойства металла образцов, подвергавшихся кратким нагревам в соляной ванне при температуре 1000°С и выше и имевшие в результате этого р-превращенную рекристаллизо ванную структуру, оказались высокими: ол=115() МПа. 5=10%. а=32-35°. КСи=0.30-0.45 МДж/мл. КСУ= =0,20 МДж/мл. а в исходном состоянии или нагрев до 900°С: 83=980-1010 МПа. 5=14-16%. а=50°. КСи=0.80-0.95 МДж/мЛ. КСУ=0,60-0,70 МДж/мл. Термическое упрочнение по режиму: нагрев до температу ры 700°С и выдержка в течение 15 мин. охлаждение в воде и старение при температуре 450°С в течение 9 ч [9]. позволило добиться упрочнения образцов на уровни 0Л=1100-1160 МПа при значениях пластичности 5=10—13%. а=35—15° и ударной вязкости КСи=0.37-0,60 МДж/мЛ КСУ=0,22-0.3 5 МДж/мл. При этом заметная разница (Аол до 50 МПа) в прочности образцов, подвергавшихся краткому нагреву в соляных ваннах. по сравнению с образцами в исходном состоянии листа наблюдалась для случаев, когда температура имитационного кратковременного нагрет! их была выше 1000°С. Эти же образцы имели более низкие характеристики пластичности и ударной вязкости. Для обеспечения уровня прочности о_,>1180 МПа образцы листов из егша-ва ВТ23 с исходной структурой и подвергнутых предварительному имитационному разогреву до 1260°С нагревали до температу ры 850°С и охлаждали на воздухе, а затем старили: 450°С. 9 ч [10]. В результате этого получили уровень упрочнения в пределах 0Л=1225-13К) МПа. однако пластичность металла, подвергавшегося ранее краткому нагреву в соляных ваннах при 1000°С и выше, составила всего 5=1—3%. а=1Г. а ударная вязкость: КСи=0.10 МДис/м2, КСУ=0.07 МДж/мЛ по сравнению с 5=5%. а=25°. КСи=0,23 МДж/мл КСУ=0,10МДж/мл для образцов листа в исходном состоянии. В целях повьшхения пластичности образцы дополнительно нагревали до 550°С (У|Л=50°С/мин), выдерживали 5 мин и охлаждали на воздухе. Получили прочность в пределах аЛ= 1180-1250 МПа. а пластичность повысилась до значений 5=6—7% а=35—10°. ударная вязкость до значений КС11= =0.40-0.50 " МДж/мЛ КСУ=().20-0.30 МДж/мл. Причем наиболее существенно повышение пластичности и ударной вязкости наблюдали для образцов, подвергавшихся ранее краткому нагреву при 1000°С и выше.
19й /шттгп ц мтггътгк
l£tJ I 3 (35). 2005 -
Нагрев состаренных при 450"C образцов до 550°С, вьщержка в течение 5 мин и быстрое охлаждение способствовал и более полному протеканию процесса распада Р|Л-фазы и растворению наиболее мелких частиц а-фазы, которые мало влияют на прочность сплава, но сильно снижают пластичность, а также оказал положительное влияние на строение границ раздела а/р-фаз. В общем случае это позволило при снижении прочности на 45—60 МПа значительно повысить пластичность и ударную вязкость образцов по сравнению с режимом, включавшим в себя нагрев при 850°С. охлаждение на воздухе и старение при 450°С в течение 9 ч.
Таким образом, показано, что значительного повышения обш;его уровня и однородности механических свойств сварных соединений из (а+р)-титановых сплавов, имевших в околошовной зоне грубую пластинчатую (р-превращенную) структуру из-за перегрева значительно выш£ п в результате полного полиморфного превращения и рекристаллизации фаз в металле, можно достичь с помошью термической обработки, исключающей дальнейшее огрубление имеющейся структуры и обеспечивающей более полное и равномерное протекание процесса выделения а-фазы в р-прослойках без хрупких образований
Вьшоды
1. Изучены технологические аспекты изменения структуры и сюйств (а+Р)-титанового сплава ВТ23 посредством варьирования режимов термической обработки. Получена весьма широкая гамма разновидностей пластинчатой структуры сплава, присущих классу (а+Р)-сплавов: от структуры с хаотическим расположением а-пластин до грубой р-превра-щенной. Исследован комплекс свойств сплава ВТ23 со всей палитрой полученных структур. Выявлены преиму щества и недостатки той или иной разновидности пластинчатой структуры термически упрочненного сплава при различных видах испытаний. На базе данных разработаны и предложены для практической реализации новые виды и способы термической обработки изделий с учетом конкретной структуры и эксплуатационного предназначения, а также безопасного уровня упрочнения
2. Рентгенографически изучены фазовый состав и кристаллографическая текстура в катаных листах (а+р)-титанового сплава ВТ23 после кратких нагревов в широком (700-1260°С ) диапазоне температур с последующим охлаждением на воздухе. Краткие нагревы, включающие переход (а+р) л Р приводят к радикальным изменениям кристаллической текстуры низкотемпературной а-фазы. что позволило определить температуру полиморфного превращения (/п<^тава ВТ23, используя только рентгенографические исследования. Нагревы при температурах, превышающих /пп, выявили также текстурные изменения обеих фаз. вызываемые процессом рекристаллизации высокотемпературной р-фазы. Установлены температурные
интервалы смены предпочтительных ориентировок Р-фазы как во время низкотемпературной (ниже п), так и высокотемпературной (выЩеп) ее рекристаллизаций, что предопределяло в конечном итоге предпочтительные места образования и ориентации сформировавшейся после охлаждения низкотемпературной а-фазы и вполне определенный комплекс механических свойств сплава ВТ23 в результате имитационных нагревов.
Практическая ценность результатов:
• показаны основные пути разработки режимов термической обработки и оптимизации ее технологии при изготовлении различных деталей из титановых егшавов с повышенным комплексом механических свойств;
• определены фактические значения 0Л, 5, \|г, КСи, КСТ и малоцикловой усталости, а также служебные свойства при повышенных температурах эксплуатации для полуфабрикатов сплава ВТ23, имеющих широкий спектр строения структуры, тем самым открыт путь к получению этих полуфабрикатов в условиях промышленного производства и использования их при изготовлении несущих конструкций авиационной и космической техники;
• открыта возможность внесения в технические условия на поставку полуфабрикатов конкретных требований по состоянию исходной структуры сплава ВТ23, ее преобразования посредством термической обработки для различных случаев их использования по фактическому назначению выбранной детали или конструкции изделия;
• показаны возможности удовлетворения потребностей отрасли в крутшогабаритных деталях и сварных соединениях из сплава ВТ23 с гарантированными высокими уровнями термического упрочнения Од =1080 МПа, 0g=1180 МПа и стабильностью свойств; показаны перспективные возможности термического упрочнения изделий из сплава ВТ23 на гарантированный уровнь Og=1225 МПа при определенном типе структуры исходных полуфабрикатов.
Литература
1. Способ термической обработки (а+Ь) -титановых сплавов: A.C. 1238413 СССР: МКИ С 22 F1/18.
2. Способ термической обработки титановых сплавов: A.C. 1561538 СССР: МКИ С 22 F1/18.
3. Способ обработки полуфабрикатов их двухфазных титановых сплавов: A.c. 1427864 СССР: МКИ С 22 F1/18.
4. Способ термической обработки деталей из двухфазных титановых сплавов: A.c. 1593273 СССР: МКИ С 22 Fi/18.
5. Способ термической обработки полуфабрикатов и деталей из двухфазных титановых сплавов: A.c. 1376598 СССР: МКИ С 22 F1/18.
6. Способ термической обработки заготовок из двухфазных титановых сплавов: A.c. 1459273 СССР: МКИ С 22 Fi/18.
7. Способ термической обработки деталей из двухфазных титановых сплавов: A.C. 1584425 СССР: МКИ С 22 Fi/18.
8. Способ обработки полуфабрикатов из двухфазных титановых сплавов: A.c. 1362065 СССР: МКИ С 22 F1/18.
9. Способ термической обработки сварных конструкций из (а+Ь)-титановых сплавов: A.c. 1129958 СССР: МКИ С 22 F1/18.
10. Способ термической обработки сварных изделий из двухфазных титановых сплавов: Ас. 1579077 СССР: МКИ С 22 F1/18.
