CC BY
25
УДК 669.018.44:669.295
О.С. Кашапов1, Т.В. Павлова1, АР. Истракова1, B.C. Калашников1
ВЛИЯНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ЖЕЛЕЗА НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОКОВОК ИЗ ЖАРОПРОЧНОГО ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ41
Проведено исследование структуры и механических свойств поковок из жаропрочного псевдо-а-титанового сплава ВТ41 с различным содержанием железа. Установлено, что увеличение содержания железа приводит к повышению прочностных характеристик материала в интервале рабочих температур при некотором снижении характеристик пластичности и ударной вязкости. Повышение содержания железа сопровождается повышением чувствительности к концентратору напряжений при различных видах испытаний.
Ключевые слова: жаропрочные титановые сплавы, механические свойства, структура, химический состав.
The structure and mechanical properties of forgings from heat-resistant near-a-titanium alloy VT41 with different iron content are examined in this paper. It has been established that the increase in the iron content leads to the increase in strength properties of the material in the working temperature range and some decrease in characteristics of ductility and toughness. Increasing the iron content is accompanied with increased sensitivity to stress concentrators under different types of tests.
Keywords: heat-resistant titanium alloys, mechanical properties, structure, chemical composition.
1Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Государственный научный центр Российской Федерации [Federal state unitary enterprise «All-Russian scientific research institute of aviation materials» State research center of the Russian Federation] E-mail: admin@viam.ru
Введение
Продолжено исследование влияния содержания железа на свойства сплава ВТ41, проведенное на материале катаных прутков, результаты которого изложены в статье [1]. В предлагаемой работе рассмотрено влияние содержания железа в пределах от 0,0520,061 до 0,11-0,121% (по массе) на механические свойства поковок из сплава ВТ41.
Материалы и методы
Исследования проводили на поковках 0(200-335)^(35-45) мм (рис. 1). Поковки изготавливали из слитков ковкой при температурах ß-области, всесторонней ковкой мерных заготовок при температурах (а+Р)-области и окончательной осадкой со степенью деформации 60-75% в изотермических условиях при температурах (а+Р)-области, для сплава с повышенным содержанием железа - штамповкой на прессе с несколькими промежуточными подогревами (толщина сечения штамповки 30-42 мм) со степенью деформаци 35-40% при каждой осадке. После деформации поковки отжигали по режиму двойного отжига [2, 3], для плавки с повышенным содержанием железа температура
второй ступени отжига была увеличена на 30°С. Химический состав слитков сплава ВТ41 соответствует требованиям ОСТ 1 90013 «Сплавы титановые. Марки».
Рис. 1. Внешний вид поковки из сплава ВТ41
Уровень легирования сплава ВТ41, выраженный в структурных эквивалентах по алюминию и молибдену [4], а также содержание элементов внедрения приведены в табл. 1.
Таблица 1
Уровень легирования сплава ВТ41 в структурных эквивалентах по алюминию и молибдену и содержание элементов внедрения
Условный номер плавки Содержание Бе, % (по массе) т °г ± п.ш ^ [А1]экв Р^] экв Содержание легирующих элементов, % (по массе)
% Si С О
1 0,052-0,061 1025+5 8,87 1,98 0,32-0,35 0,025 0,1
2 0,11-0,121 1015+5 8,78 2,19 0,29-0,33 0,01 0,08
Анализ микроструктуры материала проводили по ПИ1.2.785-2009. Определение механических свойств осуществляли по стандартным методикам (ГОСТ 1497, ГОСТ 9454, ГОСТ 9651, ГОСТ 10145, ГОСТ 25.502).
Результаты
Макроструктура поковок обеих плавок матового фона с зернами 4-5 балла по 10-балльной шкале макроструктур титановых сплавов. Микроструктура материала в хордовом сечении поковок после термической обработки приведена на рис. 2.
Рис. 2. Микроструктура (оптическая микроскопия) поковок из сплава ВТ41 с содержанием железа 0,052-0,061 (а) и 0,11-0,121% (по массе) (б)
В обоих случаях микроструктура материала глобулярно-пластинчатая, объемная доля первичной а-фазы в поковке с минимальным содержанием железа составила 26,3-31,2%, с максимальным содержанием железа: 18,2-25,4%. Как и в случае с прутками [5], дисперсность пластин вторичной а-фазы при повышении содержания железа значительно возрастает. Механические свойства поковок приведены в табл. 2-4.
Таблица 2
Условный Содержание Бе, ^0,2 5 кси кст
номер плавки % (по массе) МПа % Дж/см2
1 0,052-0,061 1055-1115 935-975 7,9-12,8 11,6-22,0 18-23 2,5-4,1
2 0,11-0,121 1085-1165 985-1060 8,9-12,2 12,3-20,4 24-31* 7,8-10,2*
* Штамповка диска.
Таблица 3
Механические свойства поковок из сплава ВТ4
Условный номер плавки Содержание Бе, % (по массе) 550° 600° „550° °100 60С° °100 600° °0,2/100
МПа
1 0,052-0,061 705-785 655-725 460-480 295 98-117
2 0,11-0,121 810-840 735-780 475-510 315-335 117-127*
* Штамповка диска.
Таблица 4
Малоцикловая усталость поковок из сплава ВТ41_
Условный Содержание Бе, % (по массе) МЦУ: стах, МПа (при №104 циклов; Я=-0,1; Гц)
номер плавки гладких образцов образцов с надрезом (г=0,25 мм)
1 0,052-0,061 1040 440
2 0,11-0,121 1065* 460*
* Штамповка диска.
Обсуждение и заключения
По результатам исследования показано, что снижение содержания железа с 0,11 до 0,061% (по массе) в поковках из сплава ВТ41 в отожженном состоянии приводит к
изменению параметров глобулярно-пластинчатой микроструктуры (укрупнению пластинок превращенной а-фазы) и снижению прочностных характеристик материала. В данном случае также имеет место «модифицирующее» воздействие этого элемента на дисперсность превращенной а-фазы [5-8]. Полученные результаты аналогичны результатам исследования прутков из сплава ВТ41 [1]. Однако для материала поковок с более крупным ß-зерном (по сравнению с прутками), увеличение содержания железа на характеристики пластичности и чувствительности к надрезу влияния практически не оказывает. Более высокие характеристики ударной вязкости можно объяснить большей объемной долей вторичной а-фазы в структуре материала поковок с высоким содержанием железа, а также снижением температуры полного растворения силицидов для данной плавки [9]. По данным табл. 3 видно, что с повышением прочности при увеличении содержания железа возрастает жаропрочность материала поковок из сплава ВТ41 (различием в содержании кремния в 0,02-0,04%, а также других легирующих элементов можно пренебречь).
Обобщая результаты данного исследования с работами [1, 10-12] следует отметить, что изменение характеристик жаропрочности в сплаве ВТ41 в зависимости от содержания железа происходит аналогично изменениям, наблюдаемым в псевдо-а- и (а+Р)-сплавах Ti 1100, Ti6242S и Ti6246, но только при определенных текстурном и структурно-фазовом состояниях. Для поковок с относительно крупнозернистой структурой увеличение содержания железа в исследованном интервале не приводит к снижению жаропрочности материала. Вероятно, это обусловлено большей степенью легирования ß-фазы в сплаве ВТ41 (нейтральными упрочнителями и изоморфными ß-стабилизаторами). Необходимо также отметить, что модифицирующее воздействие железа на структуру литого и деформированного материала подтвердилось в процессе исследования новой композиции псевдо-а-сплава [13], выполненного в соответствии со стратегическими направлениями развития авиационных материалов [14]. Использование небольших добавок железа как элемента, модифицирующего структуру и повышающего прочностные характеристики псевдо-а-титановых сплавов определенных композиций, не требует каких-либо изменений в существующей технологии и значительно снижает стоимость производства полуфабрикатов по сравнению с другими способами повышения прочности и служебных характеристик металлических материалов (например, термомеханической обработкой, микролегированием РЗМ и т. д.) [15-19].
ЛИТЕРАТУРА
1. Кашапов О.С., Павлова Т.В., Истракова А.Р., Калашников B.C. Влияние содержания железа на механические свойства прутков из жаропрочного титанового сплава ВТ41 //Труды ВИАМ. 2015. №3. Ст. 02 (viam-works.ru).
2. Кашапов О.С., Павлова Т.В., Ночовная H.A. Влияние режимов термической обработки на структуру и свойства жаропрочного титанового сплава для лопаток КВД //Авиационные материалы и технологии. 2010. №2. С. 8-14.
3. Кашапов О.С., Павлова Т.В. Исследование влияния параметров структуры полуфабрикатов из сплава ВТ41 на механические свойства //Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2015. №2. С. 136-143.
4. Ilyin A., Kolachev B., Volodin V., Ryndenkov D. About the purposefulness of comprasion of titanium alloys in terms of aluminium and Molybdenium equivalents /In: Titanium-99. Science and technology. 1999. P. 53-60.
5. Способ термической обработки высокопрочных (а+Р)-титановых сплавов: пат. 2465366 Рос. Федерация; опубл. 15.09.2011.
6. Способ термомеханической обработки изделий из титановых сплавов: пат. 2457273 Рос. Федерация; опубл. 05.04.2011.
7. Хорев А.И. Теоретические и практические основы повышения конструкционной прочности современных титановых сплавов //Технология легких сплавов. 2007. №2. С. 144-153.
8. Хорев А.И. Разработка конструкционных титановых сплавов для изготовления деталей и узлов авиакосмической техники //Сварочное производство. 2009. №3. С. 13-23.
9. Кашапов О.С. Кинетика изменения микроструктуры прутковой лопаточной заготовки из сплава ВТ41 в зависимости от температурно-временных параметров термической обработки //Перспективные материалы. 2008. №5. С. 137-140.
10. Titanium-base alloy: pat. 87 30 5197 EP; pabl. 01.06.1988.
11. Russo P.A., Yu K.O. Effect of Ni, Fe, and primary alpha on the creep of alpha-beta processed and annealed Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0,09Si /In: Titanium-99. Science and technology. 1999. P. 596-603.
12. Russo P.A., Yu K.O. Effect of Ni, Fe, and Si on the creep of Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo /In: Titanium-99. Science and technology. 1999. P. 713-720.
13. Кашапов O.C., Павлова T.B., Петракова A.P., Калашников B.C. Повышение прочностных характеристик жаропрочных псевдо-а-титановых сплавов //Авиационные материалы и технологии. 2014. №S5. C. 73-80.
14. Каблов Е.Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» //Авиационные материалы и технологии. 2015. №1 (34). С. 3-33.
15. Каблов Е.Н. Шестой технологический уклад //Наука и жизнь. 2010. №4. С. 2-7.
16. Каблов Е.Н., Оспенникова О.Г., Вершков А.В. Редкие металлы и редкоземельные элементы -материалы современных и будущих высоких технологий //Труды ВИАМ. 2013. №2. Ст. 01 (viam-works.ru).
17. Каблов Е.Н. Материалы для изделия «Буран» - инновационные решения формирования шестого технологического уклада //Авиационные материалы и технологии. 2013. №S1. С. 3-9.
18. Павлова Т.В., Кашапов О.С., Ночовная Н.А., Беляев М.С. Современные титановые сплавы и технологии, применяемые для деталей и узлов ГТД /В сб. тезисов докладов науч.-технич. конгресса по двигателестроению «Двигатели-2012». М.: АССАД. 2012. С. 347-349.
19. Хорев А.И., Белов С.П., Глазунов С.Г. Металловедение титана и его сплавов. М.: Металлургия. 1992. 352 с.
