CC BY
198
Уфа : УГАТУ, 2012
Т. 16, № 7 (52). С. 30-34
МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 669.295:621.73
С. В. Жеребцов, М. А. Боева, Г. А. Салищев,
Е. А. Кудрявцев, А. С. Перцев, В. В. Латыш, И. В. Кандаров
ВЛИЯНИЕ ТЕПЛОЙ РОТАЦИОННОЙ КОВКИ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ6
Были исследованы структура и свойства титанового сплава ВТ6, подвергнутого ротационной ковке в интервале температур 680-500 °С до общей степени деформации е = 2,67. Показано, что в результате такой обработки происходит формирование УМЗ микроструктуры с размером зерен менее 0,5 мкм, что приводит к повышению предела прочности до 1315 МПа при пластичности 10,5 % и снижению температуры сверхпластичности до 600 °С. Титановые сплавы; ротационная ковка; микроструктура; низкотемпературная сверхпластичность
Одним из перспективных подходов к повышению механических свойств конструкционных материалов является формирование в них ультрамелкозернистой (УМЗ) структуры с размером зерен менее 1 мкм [1]. По сравнению с крупнозернистыми аналогами УМЗ материалы обладают существенно более высокими значениями статической и циклической прочности, твердости и износостойкости [1, 2], что дает возможность снижать габариты деталей при сохранении их конструкционной прочности. Это особенно актуально для титановых сплавов, которые в силу малой плотности, высокой удельной прочности и отличной коррозионной стойкости особенно востребованы в тех отраслях, где вес и размер изделия являются чрезвычайно важными параметрами, т. е. в авиации, космонавтике, кораблестроении, автомобилестроении и др. Ультрамелкозернистая структура в металлических материалах может быть получена в результате большой пластической деформации при пониженных температурах (обычно ниже 0,5Тпл), причем требуемая степень дефор-
Контактная информация: 8(472)258-54-16 Результаты представленных исследований получены в рамках проекта «Создание технологий и промышленного производства узлов и лопаток газотурбинных двигателей с облегченными высокопрочными конструкциями для авиационных двигателей новых поколений», реализуемого в рамках Федеральной целевой программы по Постановлению № 218 Правительства РФ от 9 апреля 2010 года совместно ОАО «УМПО» и ФГБОУ ВПО УГАТУ Е. А. Кудрявцев выражает благодарность за финансовую поддержку ФЦП «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, соглашение № 14.132.21.1681
мации, очевидно, повышается с уменьшением температуры [1]. Реализация таких условий деформации без разрушения заготовки возможна только при использовании мягких схем деформации. Такие схемы, в частности, реализуются при равноканальном угловом прессовании [3], сдвиге под давлением [4], гидростатической экструзии [5], винтовой экструзии [6] и др.
Еще одним перспективным способом получения УМЗ структуры в длинномерных полуфабрикатах является ротационная ковка. Деформация при этом осуществляется периодическим обжатием прутковой заготовки бойками, совершающими относительно оси прутка в совокупности радиальное, вращательное и(или) осевое движение. Из-за локальности деформирования существенно снижаются технологические усилия, что обеспечивает значительное снижение металлоемкости оборудования и повышение стойкости инструмента. Поскольку при ротационной ковке обеспечивается деформация по квазисхеме всестороннего сжатия, появляется возможность формоизменения материалов без разрушения до значительных степеней деформации при высокой точности полученных изделий. В данной работе было проведено исследование влияния ротационной ковки в интервале температур 680-500 °С до общей степени деформации е = 2,67 на структуру и свойства (механические и технологические) широко используемого в промышленности двухфазного титанового сплава ВТ6.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Материалом исследования являлся а / Ь титановый сплав ВТ6 с температурой полиморф-
ного превращения 995 °C. Термообработка заготовки сплава размером 0 60 х 500 мм заключалась в закалке в воду с температуры 960 °С.
Деформация прутков сплава ВТ6 выполнялось с использованием радиально-ковочной машины модели SXP-16, производства фирмы GFM, Австрия. Прутки предварительно нагревались на заданную температуру, затем производилась радиальная ковка на диаметр 35, 21 и 15мм. Деформация на требуемый диаметр выполнялась в несколько проходов с шагом ~5 мм за проход. Охлаждение заготовок производили на воздухе. Истинная деформация по формуле e = ln(F0 / F), где F0 и F начальная и конечная площадь заготовки соответственно.
Микроструктура деформированных образцов исследовалась в продольном и поперечном направлениях с помощью просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ) JEM-2000 FX с ускоряющим напряжением 200 кВ и сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) Quanta 200 3D. Механические свойства оценивались по испытаниями на растяжение при комнатной температуре. Испытывались плоские образцы с размером рабочей части 1,5 х 3 х 16 мм. Технологические свойства (имитация штамповки в условиях сверхпластичности) оценивались по испытаниям на сжатие цилиндрических образцов 014 х 20 мм, в интервале температур 600-700 °С при скорости 10-3 с-1. Определялось напряжение течения при степени деформации 20 %.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Исходная структура сплава после закалки в воду с температуры 960 °С представлена на рис. 1. Микроструктура состоит из первичных глобулярных частиц a-фазы, размером ~7 мкм, разделенных участками превращенной р-матри-цы с пластинчатым строением, обусловленным наличием a' мартенсита.
Микроструктура сплава ВТ6 после деформации е = 1 (060 мм ® 035 мм) с нагревом исходной заготовки до 680 °С показана на рис. 2. На продольном шлифе наблюдаются слегка вытянутые в направлении деформации частицы a-фазы и смешанная глобулярно-пластинчатая структура р-превращенной матрицы (рис. 2, а). На поперечном шлифе форма a-частиц близка к равноосной. Размер частиц a-фазы составляет ~5 мкм (рис. 2, б).
Рис. 1. Микроструктура сплава ВТ6 после закалки в воду с 960 °С. СЭМ изображение, фазовый контраст
б
Рис. 2. Микроструктура сплава ВТ6 после ротационной ковки е = 1 (060 мм ®
® 065 мм) с нагревом исходной заготовки до 680 °С: а - продольное, б - поперечное сечение. СЭМ изображения, фазовый контраст
Ротационная ковка до е = 2 (035 мм ® ® 021 мм) с нагревом исходной заготовки до 500 °С приводит к формированию структуры с сильной направленностью вдоль оси прутка (рис. 3, а). Вытянутые частицы а-фазы содер-
жат субструктуру. Структура превращенной р-матрицы преимущественно глобулярная, что очевидно является следствием процессов фрагментации тонкопластичнатых выделений а-фа-зы. На поперечном шлифе частицы а-фазы имеют вытянутую и изогнутую форму; поперечный размер составляет до 2 мкм (рис. 3, б). Просвечивающая микроскопия показывает в продольном сечении преимущественно ла-мельную микроструктуру с шириной ламелей 150-200 нм. Также отмечается высокая плотность дислокаций и отдельные равноосные зерна/фрагменты размером около 200 нм (рис. 3, в).
Увеличение степени деформации до е = = 2,67 (035 мм ® 015 мм, температура нагрева 500 °С) приводит к дальнейшему измельчению микроструктуры (рис. 4). В продольном сечении микроструктура ламельная, с шириной ламелей 1-2 мкм (рис. 4, а). Частицы а-фазы на поперечном шлифе становятся короче и тоньше (около 1,5 мкм), хотя по-прежнему имеют вытянутую и изогнутую форму (рис. 4, б). Микроструктура, наблюдаемая в просвечивающем микроскопе смешанная, пластинчатоглобулярная. На фоне высокой плотности дислокаций наблюдаются равноосные зерна/фрагменты размером около 100 нм.
Механические свойства прутков, полученных ротационной ковкой представлены на рис. 5. Уже после первого этапа обработки до деформации е = 1 при температуре нагрева 680 °С сплав показывает предел прочности равный 1200 МПа, что выше достигаемого стандартной термической обработкой. После деформации до е = 2 и е = 2,67 предел прочности в обоих случаях составляет 1315 МПа, однако имеется некоторое различие в относительном удлинении: 9 % после е = 2 и 10,5 % после е = = 2,67. Такое отличие может быть обусловлено повышением остроты текстуры в прутке и состоянием межфазных границ [5]. Интересно отметить наличие стадии деформационного упрочнения в сплаве, подвергнутом ротационной ковке. Это нехарактерно для сильнодеформиро-ванных материалов, отличительной особенностью которых является быстрая локализация пластического течения и раннее образование шейки [2].
Для определения потенциала метода с точки зрения практического использования, были выполнены испытания образцов после ротационной ковки до е = 2,67 на сжатие при повышенной температуре. Целью данного эксперимента было изучить поведение материала при штам-
повке в условиях сверхпластичности (СП). Температурно-скоростные условия (600-700 °С и 10-3 с-1) выбирали на основании более ранних исследований. Результаты испытаний приведены на рис. 6. Механическое поведение образцов, подвергнутых ротационной ковке, характеризуется наличием плато, что типично для СП течения.
в
Рис. 3. Микроструктура сплава ВТ6 после ротационной ковки е = 2 (060мм ® 035мм при 680°С и 035мм ® 021мм при 500 °С): а, в - продольное, б - поперечное сечение; а, б - СЭМ изображения, фазовый контраст, в - ПЭМ, светлопольный режим
Рис. 4. Микроструктура сплава ВТ6 после ротационной ковки е = 2,67 (060 мм ®
® 035мм при 680 °С и 035 мм ® 015 мм при 500 °С): а, в - продольное, б -поперечное сечение; а, б - СЭМ изображения, фазовый контраст, в - ПЭМ, светлопольный режим
Напряжения течения, демонстрируемые сплавом после ротационной ковки до е = 2,67, существенно выше, чем те характеристики низкотемпературной СП, которыми обладает однородный глобулярный сплав с размером зерен 150 нм, полученный всесторонней изотермической деформацией (определенное влияние дает также разница в схеме СП деформации, трение и увеличение скорости при осадке). Между тем
напряжения течения сплава при 650 и 700 °С (250 и 150 МПа соответственно) можно считать приемлемо низкими для использования стального штампового инструмента вместо дорогостоящего ЖС6, применяемого при высоких температурах.
Деформация , %
Рис. 5. Механические свойства на растяжение при комнатной температуре сплава ВТ6 после ротационной ковки
Деформация, %
го
500
, 400 -К
X
а) т а)
I-
а)
х
а)
* к ср с го
300 -
200
100
• осадка, 1х10"3с-1
растяжение, 5х10"4с-1
_ Ь=150нм
□
580 600 620 640 660 680 700 720
Температура, оС
Рис. 6. Механические свойства на сжатие при повышенной температуре сплава ВТ6 после ротационной ковки
а
б
в
0
Таким образом, в результате осуществления теплой ротационной ковки в сплаве ВТ6 формируется дисперсная структура, обеспечивающая высокие механические и технологические свойства. Учитывая технологичность процесса, ротационная ковка представляется весьма перспективной для получения высокопрочных технологичных прутковых полуфабрикатов из титановых сплавов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Были исследованы структура и свойства титанового сплава ВТ6, подвергнутого ротационной ковке в интервале температур 680-500 °С до общей степени деформации е = 2,67. Было установлено, что в сплаве ВТ6 формируется дисперсная структура с размером зерен / фрагментов около 100 нм, обеспечивающая предел прочности 1315 МПа при пластичности 10,5 %. Сплав после ротационной ковки демонстрирует признаки низкотемпературной сверхпластичности в интервале температур 600-700 °С при скорости 10-3с-1; наблюдаемые при этом напряжения течения составляют 150-250 МПа, что позволяет заменить при штамповке сплав ЖС6 менее дорогим стальным штамповым инструментом.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Валиев Р. З., Александров И. В. Объемные
наноструктурные металлические материалы: получение, структура и свойства. М.: ИКЦ
«Академкнига», 2007. 398 с.
2. Meyers M. A., Mishra A., Benson D. J. Mechanical properties of nanocrystalline materials // Progr. Mater. Sci. 51 (2006). P. 427-556.
3. Valiev R. Z., Langdon T. G. Principles of equal-channel angular pressing as a processing tool for grain refinement // Progr. Mater. Sci. 51. 881 (2006).
4. Zhilyaev A. P., Langdon T. G. Using high-pressure torsion for metal processing: Fundamentals and applications // Progr. Mater. Sci. Vol. 53 (2008). P. 893979.
5. Effect of hydrostatic extrusion at 600-700 °C on the structure and properties of Ti-6Al-4V alloy / S. Zherebtsov [et al.] // Mater. Sci Eng. A. Vol. 485, (12), 2008. P. 39-45.
6. Useful properties of twist extrusion / Y. Bey-gelzimer [et al.] // Mater. Sci. Eng. A, Vol. 503 (2009) 14.
7. Low Temperature Superplasticity of Ti-6Al-4V Processed by Warm Multidirectional Forging /
G. A. Salishchev [et al.] // Mater. Sci. Forum. Vol. 735 (2013). P. 253-257.
ОБ АВТОРАХ
Жеребцов Сергей Валерьевич, доц. каф. материаловедения и нанотехнологий, с.н.с. лаб. объемн. наноструктурн. материалов ФГАОУ ВПО НИУ «БелГУ». Дипл. инженер-механик (УГАТУ, 1995). Канд. техн. наук. Иссл. в обл. деформационной и термическ. обработки металлов и сплавов, эволюции структуры и механическ. поведения металлическ. материалов в процессе деформации до больших степеней.
Боева Мария Александровна, студ. ФГАОУ ВПО НИУ «БелГУ». Иссл. в обл. деформационной и тер-мическ. обработки металлов и сплавов, эволюции структуры и механическ. поведения металлическ. материалов в процессе деформации до больших степеней.
Салищев Геннадий Алексеевич, проф. каф. материаловедения и нанотехнологий, рук. лаб. объемн. наноструктурн. материалов ФГАОУ ВПО НИУ «БелГУ». Д-р техн. наук. Иссл. в обл. деформационной и термическ. обработки металлов и сплавов, эволюции структуры и механическ. поведения металлическ. материалов в процессе деформации до больших степеней.
Кудрявцев Егор Алексеевич, аспирант ФГАОУ ВПО НИУ «БелГУ». Иссл. в обл. деформационной и термическ. обработки металлов и сплавов, низко-температурн. сверхпластичности титановых сплавов.
Перцев Алексей Сергеевич, асп. ПНИПУ. Иссл. в обл. повышения комплекса механическ. характеристик промышл. заготовок из конструкц. сталей ме-хано-термическ. воздействием.
Латыш Владимир Валентинович, вед. науч. сотр. Дипл. инженер-механик (УАИ, 1974). Канд. техн. наук. Иссл. в обл. деформационной обработки металлов и сплавов, эволюции микроструктуры и ме-ханическ. свойств металлическ. материалов.
Кандаров Ирек Вилевич, инженер. Дипл. инженер-механик (УАИ, 2004). Иссл. в обл. обработки металлов давлением, эволюции микроструктуры и меха-ническ. поведения металлическ. материалов при пластическ. деформации
