CC BY
66
УДК 669.295.5.018
А. В. Шаповалов, И. А. Маркова, Т. И. Ивченко
ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА И ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В СЛОЖНОЛЕГИРОВАННЫХ ТИТАНОВЫХ СПЛАВАХ
Исследованы фазовые превращения в сложнолегированных титановых сплавах в широком температурном интервале. Установлено влияние температуры, времени выдержки и степени легированности сплавов на их фазовый состав. Рассмотрены причины формирования метастабильных фаз.
Титановые сплавы, отличающиеся высокой удельной прочностью в сочетании с удовлетворительными характеристиками пластичности, высокими жаропрочностью и коррозионной стойкостью, становятся все более перспективными конструкционными материалами для аэрокосмической, судостроительной, химической, пищевой отраслей промышленности. Промышленные титановые сплавы, как правило, представляют собой сложные системы с большим количеством компонентов - а-, р-стабилизаторов, нейтральных упрочнителей. В процессе их термической обработки происходят крайне сложные фазовые превращения с перераспределением легирующих элементов и формированием многочисленных метастабильных фаз различной степени легированности [1, 2], что существенно влияет на физические, механические, технологические и эксплуатационные свойства титановых сплавов. Возможность варьирования соотношения фаз, степени их легированности, морфологии структурных составляющих, обусловленная природой титановых сплавов, позволяет изменять свойства изделий в широком диапазоне.
Наиболее эффективно использовать термическую обработку для повышения комплекса свойств титановых сплавов можно при оптимизации темпе-ратурно-временных параметров с учетом особенностей фазовых превращений в каждом из сплавов.
Цель настоящей работы - установление закономерностей фазовых превращений в сложноле-гированных титановых сплавах для оптимизации температурно-временных режимов термической обработки.
Исследованы фазовые превращения в широко применяемых титановых сплавах разной степени легированности. Химический состав их приведен в таблице 1. Образцы вырезали из технологических припусков промышленных полуфабрикатов деформируемых сплавов ВТ6С, ВТ 3-1, ВТ23 и литейного сплава ЛТС. Фазовые превращения изучали в широком температурном интервале (200-1100 °С) после нагрева до указанных температур от комнатной и охлаждения после выдержки в однофазной области для нивелирования влияния структуры исходных образцов и неравномерного распределения легирующих элементов. Использовали рентгенографический, металлографический методы анализа, микрорентгеноспектральное зондирование.
Фазовый состав образцов в зависимости от режимов термической обработки приведен в таблицах 2, 3.
Из приведенных данных следует, что на фазовый состав влияли как химический состав сплавов, так и параметры термической обработки. Установлены следующие особенности фазовых превращений:
- формирование а + р- фаз во всех исследованных сплавах при температурах ниже 700 °С и при нагреве, и при охлаждении;
- образование при нагреве и охлаждении множества метастабильных переходных состояний, которые при закалке фиксируются в виде внест и мартенситных фаз (а', а'' );
- температурные интервалы существования метастабильных фаз были различными в зависимости от степени легированности сплава;
- уменьшение степени легированности сдержи-
Таблица 1 - Химический состав титановых сплавов
Марка сплава Химический состав, %, по массе
А1 V Мо гг Сг Бе
ВТ6С 5,3-6,5 3,5-4,5 - < 0,3 - < 0,25 < 0,1
ВТ3-1 5,5-6,5 - 2-3 - 0,8-2,3 0,2-0,7 0,2-0,4
ВТ23 4-6 4-5 1,5-2,5 - 08,-1,4 0,4-0,8 -
ЛТС 4,5-6,2 - 2-3,4 16-19 - 0,04-0,08 0,020-0,075
© А. В. Шаповалов, И. А. Маркова, Т. И. Ивченко, 2007
- 142 -
Таблица 2 - Фазовый состав образцов титановых сплавов в зависимости от температуры закалки
Температура Марка сплава
ВТ6С ВТ3-1 ВТ23 ЛТС
Фазовый состав Фазовый состав Количество ß-фазы Фазовый состав Фазовый состав Количество ß-фазы
100 а + ß а + ß 24,0 а + ß а + ß 16,0
200 а + ß а + ß 17,0 а + ß а + ß 16,8
300 а + ß а + ß 13,0 а + ß а + ß 25,4
400 а + ß а + ß 9,0 а + ß а + ß 15,6
500 а + ß а + ß 6,0 а + ß а + ß 2,9
600 а + ß а + ß 4,0 а + ß а + ß 1,5
700 а + ß а + ß 14,0 а + ßнест а + ßнест 28,5
800 а + а ' а + $нест 20,0 а + ßнест а + ßнест 32,6
820 а + а ' а + ßHecm 50,5 а + ßHecm а + ßнест -
840 а + а ' а + ßнест 41,0 а + ßнест а + ßнест -
860 а + а ' а +а ' ' + ß 34,0 а + ßнест а + ßнест 15,0
900 а + а ' а +а ' ' + ß 4,0 а + а ' + а' ' + ßнест а ' + а' ' + ß 11,5
930 а + а ' а(а') + а '' + ß - а + а' + а'' + (ß) а ' + а' ' + ß -
980 а' а' 0 а' а'+ а ' ' + ß 6,9
1050 а' а' 0 а' а'+ а' ' 0
1100 а' а' 0 а' а'+ а' ' 0
1200 а' а' 0 а' а' 0
Таблица 3 - Фазовый состав закаленных образцов сплавов ВТ3-1 и ЛТС
Режим высокотемпературной обработки Фазовый состав Количество ß-фазы, %
Сплав Обработка в ß-области Температура выдержки, °С Время выдержки, мин
960 5 а + а' + (ß) -
90 а + а' + (ß) -
5 а + а' + а''+ß 10
930 30 а(а') + а" + ß 8
980 °С 10 мин 60 а + а" + ß 7
ВТ3-1 3 а + а' + а" + ß 10
900 5 а + а' + а" + ß 6
20 а + а" + ß 9
30 а + а" + ß 7
600 5 а + ß 25
60 а + ß 23
1 а(а') + а" + ß -
800 5 а + а" + ß -
950 °С 10 мин 15 а + ß -
ЛТС 30 а + ß 21,8
1 а + ß -
600 5 а + ß -
15 а + ß 11,6
вает склонность титановых сплавов к образованию серии метастабильных состояний; так, при закалке сплава ВТ6С не выявлены ßHecm и а'' - фазы, образующиеся в сплавах с большим содержанием легирующих элементов;
- изменение фазового состава образцов сплава ВТ3-1 и ЛТС, предварительно обработанных при температурах ß- области, в зависимости от времени выдержки при температурах 930 и 900 °С (сплав ВТ3-1), 800 °С (сплав ЛТС);
- после тридцатиминутной обработки при этих
температурах фазовый состав образцов указанных сплавов, нагретых от комнатной температуры и охлажденных от температур р-области, был одинаковым.
Фазовые превращения в титановых сплавах сопряжены с перераспределением компонентов между а- и р- фазами из-за их разной растворимости. Значения растворимости легирующих элементов по данным [3] приведены в таблице 4.
—0т1 9яяяяяВестникядвигателестроенияя1 1/п007
- 143 -
Таблица 4 - Растворимость легирующих элементов в а- и р- фазах титана
Элемент Растворимость, % масс.
а-фаза в-фаза
А1 6,0 (500 °С) 35,5 (1460 °С)
гг 0-100(> 545 °С) 0-100 (> 662 °С)
Мо 0,75 (600 °С) 0-100
V 3,3 (600 °С) 0-100
Бе 0,02 (390 °С) 25,5 (1085 °С)
0,2 (600 °С) 3 (1330 °С)
В процессе фазовых переходов диффузионное перераспределение легирующих элементов не успевало происходить, формировались обогащенные и обедненные р- стабилизаторами микрообъемы. При закалке последние превращались в а'-фазу, а обогащенные - в а''|- фазу; те, в которых содержание р- стабилизаторов превышало критическое, сохранялись в виде р- фазы.
Факторами, обусловливающими образование микрообъемов р- фазы разной степени легирован-ности при высоких температурах, являются:
- высокая концентрация легирующих элементов в титановых сплавах; так, суммарное содержание легирующих элементов составляло в сплаве ВТ6С 9,1 - 11,7 %, ВТ3-1 - 8,7-13,9 %, ВТ23 - 10,7-15,7 %, ЛТС - 22,5-28,7 %;
- многокомпонентность сплавов и наличие элементов, которые резко отличаются по своей природе - а- стабилизаторов (А1, О), изоморфных р- стабилизаторов (Мо, V), эвтектоидообразующих р- стабилизаторов (Ре, Б1) и нейтральных упрочни-телей (2г);
- образование твердых растворов замещения титана с каждым из его легирующих элементов;
- резко отличающиеся значения растворимости легирующих элементов в фазах, наличие градиента концентраций между фазами;
- низкие значения коэффициентов диффузии элементов в титане.
Механические свойства сплавов ВТ3-1 и ЛТС после упрочняющей термической обработки по разным режимам и фазовый состав после высокотемпературного ее этапа, а также сплава ВТ6С после отжига по разным режимам представлены в таблице 5.
Из приведенных данных следует, что отжиг сплава ВТ6С приводил к возрастанию характеристик пластичности при некотором снижении прочности. Упрочняющая термическая обработка деформированного сплава ВТ3-1 по режимам 2-4 обеспечивала повышение предела прочности при удовлетворительной пластичности. После термической обработки по режиму 1 сплав ВТ3-1 имел крайне низкие значения относительного удлинения и относительного сужения. Это обусловлено образованием после закалки крупноигольчатой а'- фазы, распад которой при старении приводил к формированию игольчатых выделений вторичной а- фазы. Следовательно, необходимо избегать возникновения при закалке мартенситной а'- фазы. Термическая обработка литейного сплава ЛТС обеспечила оптимальное сочетание прочностных и пластических характеристик.
Таким образом, в зависимости от требований, предъявляемых к конкретному изделию из титановых сплавов, необходимо выбирать сплав большей или меньшей степени легированности и применять термическую обработку с учетом закономерностей фазовых превращений.
Сплав Режимы термической обработки Механические свойства Фазовый состав Количество в-фазы, %
аВ, МПа 8, % V, %
ВТ6С Исходный 930 9,5 30,0 а + в
Отжиг режим 1 875 13,0 36,0 а + в
Отжиг режим 2 880 11,9 36,0 а + в
ВТ3-1 Исходный 1030 9 20,3 а + в
Режим 1 1370 2,5 10,0 а + а' + (в) -
Режим 2 1200 7,0 14,8 а + а'' + в 8
Режим 3 1130 5,0 13,0 а + в 25-28
Режим 4 1100 6,0 21,0 а + в ~ 20
ЛТС Исходный 1080 5,6 15,0 а + в 16,9
Режим 1 1100 9,2 15,0 а + в 15,2
Режим 2 1140 8,0 28,0 а + в 15,0
Режим 3 1150 8,0 22,0 а + в 12,5
Таблица 5 - Механические свойства, фазовый состав и количество р- фазы образцов титановых сплавов до и после термической обработки
Перечень ссылок
1. Глазунов С.Г., Моисеев В.Н. "Конструкционные титановые сплавы". - М.: Металлургия, 1979. - 364 с.
2. Шаповалов А.В., Маркова И.А., Шаповалова О.М., Ивченко Т.И. Влияние термической обработки крупногабаритных изделий из титано-
вых сплавов на их структуру и свойства // Международный симпозиум " Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов в машиностроении", Харьков, 2004.
3. Цвиккер У. "Титан и его сплавы". - М.: Металлургия, 1979. - 510 с.
Поступила в редакцию 25.01.2007
Досл1джено фазов1 перетворення в складнолегованих титанових сплавах в широкому температурному ¡нтервал1. Встановлено вплив температури, часу витримки та сту-пеню легованост1 сплав1в на ïx фазовий склад. Розглянуто причини формування мета-стаб1льних фаз.
Phase transformations in complex alloyed titanium alloys in a wide temperature range have been researched. The influence of temperature, holding time and degree of alloys alloying on their phase composition has been found. Reasons for metastable phase formation have been considered.
—0ml 9яшВестникя)вигателестроенияя1 1/m007
- 145 -
