Влияние термической обработки на морфологию фазы (bti) в титановом сплаве ВТ6 Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 539.3

DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21 -3-940-943

ВЛИЯНИЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА МОРФОЛОГИЮ ФАЗЫ (РП) В ТИТАНОВОМ СПЛАВЕ ВТ6

© А.С. Горнакова, С.И. Прокофьев, Б.Б. Страумал

Институт физики твердого тела РАН, г. Черноголовка, Российская Федерация, e-mail: alenahas@issp.ac.ru

Исследовалось влияние температуры на морфологию зернограничных прослоек (Р^) в сплаве ВТ6 в двухфазной области (аТ1)+(рТ1) фазовой диаграммы Т1-У-А1 в интервале температур 660-840 °С. Была получена температурная зависимость доли границ зерен в (аТ1), покрытых сплошным слоем (РТ1). Она показывает, что доля таких границ зерен увеличивается от нуля при 650 °С приблизительно линейно с температурой отжига. Этот рост значительно сильнее, чем рост доли (Р^) в сплаве при увеличении температуры отжига. Ключевые слова: титановые сплавы; границы зерен; зернограничные прослойки второй фазы; распад пересыщенного твердого раствора; выделение второй фазы.

Сплав ВТ6 (его зарубежные аналоги Ть64, 1М1318 и др.) широко используется в аэро-космической технике, машино- и судостроении, имеет широкое биомедицинское применение [1]. Это обусловлено возможностью формирования широкого спектра его механических характеристик (от высокой жаропрочности до сверхпластичности) с помощью различных термических и термо-механических обработок [1-2]. Это связано с изменением количественного соотношения, морфологии и дисперсности (а"Л) и (РТ1) фаз в объеме и на границах зерен. В настоящее время изучению процессов формирования свойств этого сплава посвящено большое число работ, однако, до сих пор остается недостаточно изученным вклад границ зерен в формирование его микроструктуры и свойств, в частности, в процессе термообработки в двухфазной области (а^)+(РТ^.

Целью данной работы является исследование влияния параметров отжига в (а+Р) области на морфологию и дисперсность (РТ1) фазы на границах зерен в (аТ^ в титановом сплаве ВТ6.

Исследования проводились на промышленном сплаве ВТ6 (пруток диаметром 25 мм). Последующие тесты показали структурную и химическую однородность прутка. На электроискровом станке пруток был разрезан на шайбы толщиной 5 мм, которые затем были разрезаны на четыре равных части. Поверхность образцов шлифовалась и подвергалась химическому травлению для удаления поврежденного поверхностного слоя. Затем они запаивалась в кварцевые ампулы и отжигалась в вакууме при остаточном давлении 4-10-4 Па. Отжиги производились при температурах 660 °С (720 ч), 670 °С (840 ч), 680 °С (840 ч), 700 °С (672 ч), 730 °С (840 ч), 760 °С (744 ч), 790 °С (792 ч), 800 °С (840 ч), 820 °С (840 ч) и 840 °С (720 ч), т. е. в области (а^)+(РТ^ фазовой диаграммы Т^У-А1. После отжига образцы закаливались в воде. Затем они шлифовались, полировались механически и травились в 1 % водном растворе ИГ для выявления микроструктуры.

Наблюдение микроструктуры образцов сплава и получение ее изображений, на которых измерялись

характеристики элементов микроструктуры, проводили с помощью оптического микроскопа Neophot-32, оборудованного цифровой камерой Canon Digital Rebel XT (10 Мпикс). В случаях, когда оптические наблюдения из-за недостаточного разрешения не позволяли изучать дисперсную микроструктуру, для этой цели использовался сканирующий электронный микроскоп Tescan Vega TS 5130 ММ, оснащенный энерго-дисперси-онным спектрометром LINK (Oxford Instruments).

Он также использовался для определения химического состава фаз образцов, а также для нахождения среднего химического состава образцов, который определялся сканированием зонда по их поверхности. Усредненные данные химического анализа показывают, что исследуемый сплав имеет состав (89,83 ± 0,07) вес.% Ti, (6,21 ± 0,05) вес.% Al, (3,92 ± 0,06) вес.% V и (0,04 ± 0,02) вес.% Fe.

На рис. 1а показана исходная (до отжига) микроструктура сплава ВТ6. Она представляет собой колонии вытянутых ламелей темной и светлой фаз.

Из-за высокой дисперсности фаз до отжига мы не смогли определить их химический состав с приемлемой точностью. Поэтому он был определен только для отожженных сплавов. Согласно фазовой диаграмме Ti-V-Al, состав светлых участков на микрофотографии соответствует ОЦК (PTi), а состав темных участков -ГПУ (aTi). Результаты анализа химического состава фаз (aTi) и (PTi) сплава при всех температурах представлены на рис. 2.

Рис. 2 показывает, что при изменении температуры состав (aTi) не меняется в пределах ошибки измерения (+0,9 вес.%), и что в (PTi) рост температуры приводит к увеличению концентрации Ti и уменьшению концентрации V при неизменной концентрации Al. Следует отметить, что длительные отжиги и последующая закалка в воде дают основание считать, что концентрации компонентов фаз сплава после отжигов соответствуют их равновесным значениям в (aTi) и (PTi) при соответствующих температурах.

а) исходная микроструктура

г) отожженный при 800 °С

Рис. 1. РЭМ микрофотографии титанового сплава ВТ6: а -исходная микроструктура; б, в, г - образцы, отожженные при температурах 670, 760 и 800 °С, соответственно. Светлая область - это (Р Л), а темная - (аЛ)

70 цт

б) отожженный при 680 °С

80

• • • •

О-О-О —СГ

"о-о—а.

...

640

680

• • • • "Л

.—0-0 — °-—° Л

720

.....а..

о

760

О - (аЛ) • - (рТ1)

О о о О А1 • • • «V

800

840

Температура,оС

Рис. 2. Температурные зависимости концентрации компонентов фаз (аЛ) и (РЛ)

0

70 |дт

в) отожженный при 760 °С

В результате отжига микроструктура сплава качественно отличается от исходной ламеллярной структуры неотожженного сплава: она состоит из равноосных зерен (аТ1), средний размер которых увеличивается с температурой отжига: от 16 мкм при 670 °С до 34 мкм при 820 °С. Выделения (РТ1) расположены, в основном, на границах и в тройных стыках зерен, а объем зерен практически полностью свободен от них (рис. 1б, 1в, 1г). При температуре отжига 820 °С и выше межзерен-ные прослойки (РТ1) укрупняются и превращаются в зерна, размер которых сравним с размером зерен (аТ1).

Можно предположить, что из-за большой длительности отжигов мы наблюдаем уже заключительную стадию процесса разделения фаз - огрубление структуры, движущей силой которой является уменьшение свободной энергии, связанной с межфазными границами (аТ1)/(рТ1), кинетика которой контролируется ка-

пиллярностью, связанной с кривизной межфазных границ [3-4]. При этом предшествующие стадии - распад ламеллярной структуры [5], зарождение и рост (аЛ) и (Р"П), а также начальные этапы процесса огрубления, остались «за кадром». Они наблюдались нами недавно при рассмотрении эволюции микроструктуры сплавов ТьСо с температурой и временем отжига [6].

Для количественного анализа характера распределения (РТ1) в микроструктуре после отжига были получены серии изображений микроструктуры всех отожженных образцов. Для каждого из них были проведены измерения на более чем 100 границах зерен. Полученная из этих измерений температурная зависимость доли границ зерен в (аТ1), полностью покрытых слоем (РТ1), представлена на рис. 3. Также на рис. 3 показана доля (РТ1) в отожженных сплавах. Видно, что доля ГЗ, покрытых сплошным слоем (РЛ), растет значительно быстрее, чем доля (РЛ) в отожженном сплаве.

Температура, оС

Рис. 3. Температурная зависимость доли границ зерен в (аТ1), полностью покрытых второй фазой (РЛ)

Видно, что ниже температуры приблизительно 650 °С, все границы зерен в (aTi) свободны от сплошного слоя (PTi).

ВЫВОДЫ

Была исследована микроструктура сплава ВТ6 после длительных отжигов в температурной области 660840 °С и последующей закалки в воде. Показано, что доля границ зерен (aTi), полностью покрытых (PTi) фазой, растет с температурой. Ниже температуры приблизительно 650 °С все границы зерен в (aTi) свободны от сплошного слоя (PTi). Так как с увеличением температуры отжига значительно меняется соотношение долей границ зерен в (aTi) и межфазных границ (aTi)/(PTi), то можно ожидать, что эти изменения будут влиять на прочность и пластичность отожженного сплава ВТ6.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Banerjee D., Williams J.C. Perspectives on titanium science and technology // Acta Mater. 2013. V. 61. P 844-879.

2. Кайбышев. О.А. Сверхпластичность промышленных сплавов. М. : Металлургия, 1984.

3. Лифшиц И.М., Слезов В.В. О кинетике диффузионного распада пересыщенных твердых растворов // ЖЭТФ. 1958. Т. 35. С. 479492.

4. Mullins W. W., Vinals J. Self-similarity and growth kinetics driven by surface free energy reduction // Acta Mater. 1989. V. 37. P. 991-997.

5. Sharma G., Ramanujan R. V., Tiwari G.P. Instability mechanisms in lamellar microstructures // Acta Mater. 2000. V. 48. P. 875-889.

6. Горнакова А.С., Прокофьев С.И., Страумал Б.Б., Колесникова К.И. Рост зернограничной прослойки (aTi) в сплавах Ti-Co // Изв. вузов. Цветн. металл. 2016. Т. 57.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 16-03-00285).

Поступила в редакцию 10 апреля 2016 г.

UDC 539.3

DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21 -3-940-943

EFFECT OF HEAT TREATMENT ON THE MORPHOLOGY (PTi) PHASE THE TITANIUM ALLOY VT6

© A.S. Gornakova, S.I. Prokofev, B.B. Straumal

Institute of Solid State Physics RAS, Chemogolovka, Russian Federation, e-mail: alenahas@issp.ac.ru

The effect of temperature on the morphology of grain boundary layers of (PTi) in VT6 alloy is studied in the two-phase (aTi)+( PTi) region of phase diagram Ti-V-Al in 660-840 °C temperature range. The temperature dependence of the proportion of grain boundaries in (aTi) covered with a continuous layer of (PTi) was obtained. It shows that the portion of the grain boundaries covered completely with (PTi) layer near-llinearly increases with the annealing temperature from zero at 650 °C. This increase is much stronger than the increase of the portion of (PTi) in the alloy with the annealing temperature.

Key words: titanium alloys; grain boundaries; grain boundary layer of second phase; decomposition of supersaturated solid solution; precipitation of second phase.

REFERENCES

1. Banerjee D., Williams J.C. Perspectives on titanium science and technology. Acta Mater., 2013, vol. 61, pp. 844-879.

2. Kaybyshev. O.A. Sverkhplastichnost'promyshlennykh splavov. Moscow, Metallurgy Publ., 1984.

3. Lifshits I.M., Slezov V.V. O kinetike diffuzionnogo raspada peresyshchennykh tverdykh rastvorov. Zhurnal eksperimental'noy i teoreti-cheskoy fiziki - Journal of Experimental and Theoretical Physics, 1958, vol. 35, pp. 479-492.

4. Mullins W.W., Vinals J. Self-similarity and growth kinetics driven by surface free energy reduction. Acta Mater., 1989, vol. 37, pp. 991997.

5. Sharma G., Ramanujan R.V., Tiwari G.P. Instability mechanisms in lamellar microstructures. Acta Mater., 2000, vol. 48, pp. 875-889.

6. Gornakova A.S., Prokofev S.I., Straumal B.B., Kolesnikova K.I. Rost zernogranichnoy prosloyki (aTi) v splavakh Ti-Co. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Tsvetnaya metallurgiya — Russian Journal of Non-Ferrous Metals, 2016, vol. 57.

GRATITUDE: The work is fulfilled under financial support of Russian Fund of Fundamental Research (project no. 16-03-00285).

Received 10 April 2016

Горнакова Алена Сергеевна, Институт физики твердого тела РАН, г. Черноголовка, Российская Федерация, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, e-mail: alenahas@issp.ac.ru

Gornakova Alena Sergeevna, Institute of Solid State Physics RAS, Chernogolovka, Russian Federation, Candidate of Physics and Mathematics, Senior Research Worker, e-mail: alenahas@issp.ac.ru

Прокофьев Сергей Ильич, Институт физики твердого тела РАН, г. Черноголовка, Российская Федерация, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, e-mail: prokof@issp.ac.ru

Prokofev Sergey Ilich, Institute of Solid State Physics RAS, Chernogolovka, Russian Federation, Candidate of Physics and Mathematics, Senior Research Worker, e-mail: prokof@issp.ac.ru

Страумал Борис Борисович, Институт физики твердого тела РАН, г. Черноголовка, Российская Федерация, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник, зав. лабораторией ЛПРМ, e-mail: straumal@issp.ac.ru Straumal Boris Borisovich, Institute of Solid State Physics RAS, Chernogolovka, Russian Federation, Doctor of Physics and Mathematics, Senior Research Worker, Head of Laboratory LPRM, e-mail: straumal@issp.ac.ru