CC BY
30
УДК 669.295
ВЛИЯНИЕ ВОДОРОДА НА ФАЗОВЫЕ И СТРУКТУРНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В ТИТАНОВОМ СПЛАВЕ ВТ6*
С.В. Скворцова, докт. техн. наук, П.В. Панин, канд. техн. наук (МАТИ-РГТУ им. К.Э. Циолковского, e-mail: mitom@implants.ru), Н.А. Ночовная, докт. техн. наук (ФГУП ВИАМ), И.А. Грушин, аспирант, Н.Г. Митропольская, аспирант (МАТИ-РГТУ им. К.Э. Циолковского)
Исследовано влияние дополнительного легирования водородом на фазовый состав и структуру титанового сплава ВТ6. Показана возможность создания структуры с наноразмерными частицами а-фазы. Для сплава ВТ6 построена диаграмма «фазовый состав - концентрация водорода - температура наводорожи-вающего отжига», на которой уточнены области существования упорядоченной а2-фазы на основе интерметаллида Ti3Al.
Ключевые слова: титановый сплав, легирование водородом, фазовый состав, структура, наноразмерные частицы, диаграмма состояния, а-фаза, наводорожива-ющий отжиг.
The Influence of Hydrogen on Phase and Structural Transformations in VT6 Titanium Alloy. S.V. Skvortsova, P.V. Panin, N.A. Nochovnaya, I.A. Grushin, N.G. Mitropolskaya.
The influence of extra hydrogen addition on phase composition and structure in VT6 titanium alloy has been investigated. The possibility of development of a structure with a phase nanoparticles is shown. A diagram «phase composition - hydrogen concentration - hydrogenating annealing temperature», wherein the areas of ordered a2(Ti3Al) phase existence were defined more exactly, was plotted for VT6 alloy.
Key words: titanium alloy, hydrogen addition, phase composition, structure, nanoparticles, state diagram, a phase, hydrogenating annealing.
Введение
Водородная технология обработки титановых сплавов является одним из перспективных направлений материаловедения [1]. К настоящему времени накоплен большой опыт по использованию водорода как постоянного или временного легирующего элемента в сплавах на основе титана, развиты представления о влиянии водорода на фазовые и структурные превращения, что в конечном итоге позволило выработать обобщенный теоретико-практический подход к водородной обработке титановых сплавов [2-4].
Однако полученные в последнее время данные свидетельствуют о необходимости уточнения некоторых закономерностей формирования фазового состава и структуры в титановых сплавах под воздействием абсорбированного водорода, а также при последующей дегазации. В свою очередь, разработка новых водородных технологий связана с правильным выбором температурно-концен-трационных и кинетических условий наводо-роживания и дегазации, что требует также уточнения фазовых и структурных диаграмм. Последние позволяли бы определять необ-
* Исследования выполнены при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, грант № 11-03-00008-а. Экспериментальные результаты получены с использованием оборудования ресурсного центра коллективного пользования «Авиационно-космические материалы и технологии» МАТИ.
ходимые параметры технологического процесса термоводородной обработки (ТВО), обеспечивающие в итоге требуемый комплекс технологических и эксплуатационных свойств.
Сплав ВТ6 - один из самых распространенных конструкционных сплавов титана. Влияние водорода на его фазовый состав и структуру изучено достаточно хорошо [2], однако в литературе в основном приведены данные [3] для случая, когда наводорожива-ющий отжиг проводился при температурах Р-области, а^Р-превращение полностью завершалось и формирование конечной структуры происходило в условиях охлаждения до нормальной температуры. Окончание процесса насыщения водородом в Р-области приводит к сохранению в структуре после охлаждения до нормальной температуры границ исходного Р-зерна, что может негативно сказаться на свойствах полуфабрикатов и изделий. Кроме того, в последнее время было обнаружено [5], что в титановых сплавах, содержащих более 5% мас. алюминия возможно образование некогерентных упорядоченных частиц а2-фазы вследствие уменьшения в процессе наводороживания количества а-фазы и увеличения в ней содержания алюминия в определенном температурно-кон-центрационном интервале при незавершенности а^Р-превращения.
Материалы и методы исследования
Исследовали горячекатаную плиту из сплава ВТ6 толщиной 12 мм, полученную по промышленной технологии. Химический состав сплава соответствовал ГОСТ 19807-91 (И-6,25Д!-4,1У). Для большей наглядности влияния водорода на возможность преобразования структуры сплава ВТ6 на предварительном этапе обработки заготовки отжигали в вакууме при 980 °С, что соответствовало Р-области. Насыщение образцов водородом проводили в лабораторной установке Сивертса до концентраций 0,2-1,0 % мас., с шагом 0,2 % в интервале температур 650900 °С. Охлаждали до нормальной температуры со скоростью 1 К/с. Вакуумный отжиг наводороженных образцов осуществляли при 625 °С в течение 8 ч. Фазовый состав и
структуру образцов изучали при нормальной температуре с помощью оптической и электронной микроскопии, а также рентгенострук-турного анализа. Остаточную концентрацию водорода определяли спектральным методом.
Результаты экспериментов и их обсуждение
Предварительный высокотемпературный отжиг позволяет сформировать в сплаве ВТ6 крупнопластинчатую (а+Р)-структуру, содержащую около 15% об. Р-фазы. Пластины а-фазы толщиной 3-5 мкм, собранные в колонии, располагаются по телу Р-зерна, границы которого окаймлены а-«оторочкой» (рис. 1, а).
Дополнительное легирование сплава ВТ6 водородом инициирует протекание а^Р-пре-вращения, полнота реализации которого определяется температурой нагрева и содержа-
Рис. 1. Микроструктура образцов из сплава ВТ6 после высокотемпературного вакуумного отжига (а) и наводороживающего отжига при 900 °С до 0,2 % (б), 900 °С до 0,4 % (в), 850 "С до 0,8 % (г) и при 700 "С до 1,0 % (д)
нием водорода. Введение в сплав 0,2 % Н при температуре 900 °С позволяет полностью перевести его в однофазное Р-состояние. При последующем охлаждении до нормальной температуры со скоростью 1 К/с высокотемпературная Р-фаза претерпевает мартен-ситное превращение, причем если в сплаве содержится до 0,3 % Н, то образуется а'-мартенсит, а в интервале концентраций 0,3-0,7 % формируется а"-мартенсит. Процесс перехода от а'- к а"-фазе идентичен «'^«"-превращению при легировании титана Р-изоморфными стабилизаторами.
Дальнейшее увеличение содержания водорода в сплаве позволяет получить практически однофазное Р-состояние при нормальной температуре (рис. 1, г). Идентичные фазовые и структурные состояния были получены для сплава ВТ6 в процессе наводороживания при 850 °С.
Наводороживающий отжиг при температурах ниже 850 °С не позволяет получить в структуре после охлаждения однофазное Р-состо-яние во всем исследованном интервале концентраций. Это связано с тем, что а^Р-прев-ращение не доходит до конца и в структуре сплава сохраняется первичная а'-фаза как при температуре наводороживания, так и после охлаждения до нормальной температуры. С увеличением концентрации водорода происходит уменьшение объемной доли первичной а'-фазы, которое сопровождается появлением сверхструктурных линий на диф-рактограммах (рис. 2). Это связано с тем, что в процессе наводороживающего отжига развитие а^Р-превращения сопровождается пе-
рераспределением легирующих элементов между Р- и а-фазами и обогащением последней алюминием. В результате внутри частиц первичной а'-фазы протекают процессы упорядочения с образованием а2-фазы на основе интерметаллида Т3А1.
С понижением температуры наводороживающего отжига происходит уменьшение в структуре количества Р-фазы, что приводит к увеличению в ней концентрации водорода. В процессе охлаждения до нормальной температуры она становится нестабильной по отношению к гидридной фазе 5, и происходит эвтектоидный распад с образованием ^-фазы и 8-гидрида переменного состава Т1Их (рис. 1, д). Входящая в состав эвтектоидной смеси аэ-фаза образуется из обедненной алюминием Р-фазы, поэтому на дифрактограммах присутствуют отражения от двух а-фаз, отличающихся содержанием алюминия (см. рис. 2). Таким образом, в структуре после наводороживания до концентраций 0,8-1,0 % Н присутствуют две а-фазы, отличающиеся химическим составом, - обогащенная алюминием а'(а2)-фаза и обедненная алюминием аэ-фаза, входящая в состав эвтектоида.
С понижением температуры наводороживания происходит расширение температурно-концентрационной области существования упорядоченной а2-фазы, и после наводороживающего отжига при 650-700 °С она появляется в структуре уже начиная с концентрации 0,4 % Н.
После наводороживания при температурах 900 и 850 °С структура сплава с увеличением концентрации водорода изме-
Рис. 2. Дифрактограмма образцов из сплава ВТ6 после наводороживающего отжига при 700 "С до 0,8 %
няется в такой последовательности: а при наводороживании в интервале температур 650-800 °С спектр возможных структур при дополнительном легировании водородом значительно расширяется: ( а + р ) ^ [ а ( а 2) + Р ] ^ [ а ( а 2) + Р + 5 ] ^[а(а2)+8].
В результате проведенных исследований была построена диаграмма «фазовый состав - концентрация водорода - температура наводороживающего отжига» (рис. 3).
г , °с
900
800
700
600
1 1 1 1 1 1 \ 1 \а+р| \ • 1 а" + (3 1 1 1 1 1 Р
ы -—
а + (3 • • /
/ а+а,+р I /а+а2+р+й
/ 1 / / / / 5. / а+а2+о
0,3 0,6
Н, % мае.
0,9
Рис. 3. Диаграмма «фазовый состав - концентрация водорода - температура наводороживающего отжига» для сплава ВТ6 (скорость охлаждения 1 К/с)
Из диаграммы видно, какой фазовый состав сплав ВТ6 будет иметь при нормальной температуре после введения заданного количества водорода при определенной температуре наводороживающего отжига и охлаждения со скоростью 1 К/с.
Построенная диаграмма имеет важное практическое значение, так как позволяет осуществлять выбор температурно-концент-рационных параметров наводороживающего отжига для получения в сплаве ВТ6 заданного фазово-структурного состояния.
Почти все схемы термоводородной обработки включают вакуумный отжиг как заключительную операцию в целях удаления водорода из изделия или полуфабриката до безопасных концентраций, при которых гаранти-
рованно не развивается водородная хрупкость при эксплуатации. Наибольший интерес, с точки зрения управления фазово-структур-ным состоянием, представляет низкотемпературный вакуумный отжиг (600-650 °С). В данной работе исследовали влияние вакуумного отжига при 625 °С на формирование фазового состава и структуры в сплаве ВТ6, дополнительно легированном водородом.
Анализ проведенных исследований показал, что если после наводороживающего отжига в структуре сплава преобладает мартенсит, то образующаяся в результате дегазации адег-фаза наследует его морфологию. Это приводит к сохранению пластинчатого типа структуры а-фазы (рис. 4, а).
Если же после наводороживающего отжига удается зафиксировать практически однофазное Р-состояние (возможно содержание до 5 % об. мартенсита), то последующий низкотемпературный вакуумный отжиг приводит к формированию равновесной (ар+Рр)-нанос-труктуры, содержащей пластины адег-фазы длиной 400-700 нм и толщиной не более 100 нм (рис. 4, б).
Если при наводороживающем отжиге сплава ВТ6 в структуре остается первичная а'(а2)-фаза, то при низкотемпературном вакуумном отжиге формируется структура, не свойственная сплаву в равновесном состоянии и состоящая из частиц первичной а'-фазы, обогащенной алюминием, некогерентных частиц а2-фазы, небольшого количества Р-фазы и адег-фазы, образующейся из обедненной алюминием Р-фазы в процессе дегазации. Наличие двух а-фаз разного химического состава подтверждается раздвоением линий на диф-рактограммах (рис. 4, в, г).
Проведеннымими исследованиями установлен факт, что если в структуре после наводороживающего отжига содержится менее 30% об. а'-фазы, то процессы зарождения адег-фазы преобладают над процессами роста а'. В результате формируется бимодальная структура, содержащая частицы первичной а(а2)-фазы размером 1-3 мкм и обедненную алюминием вторичную наноразмер-ную адег-фазу, которая выделяется из Р-фазы при дегазации (рис. 4, в). Если же в структуре наводороженного сплава содержится более
Рис. 4. Влияние низкотемпературного вакуумного отжига на структуру сплава ВТ6, дополнительно
легированного водородом
30 % об. а'-фазы, то даже при низкотемпературной дегазации преобладают процессы роста частиц а'-фазы и вторичная адег-фаза образуется в значительно меньшем количестве (рис. 4, г).
Таким образом, анализ проведенных исследований показал, что термоводородная обработка позволяет получать различные типы структур в титановом сплаве ВТ6 с размером структурных составляющих от нано-до микрометров.
Выводы
1. По результатам исследований построена диаграмма «фазовый состав - концентрация водорода - температура наводорожива-ющего отжига» для сплава ВТ6.
2. Установлено, что если в процессе наво-дороживающего отжига а^Р-превращение не завершается, то первичная а-фаза обогащается алюминием, в ее микрообъемах протекают процессы упорядочения и образуется а2-фаза на основе интерметаллида Л3Д!.
3. Показано, что если процесс наводорожи-вания сплава ВТ6 заканчивается в Р-области, а кинетические условия охлаждения до нормальной температуры позволяют зафиксиро-
вать однофазное Р-состояние, то при последующем низкотемпературном вакуумном отжиге формируется (а+Р)-структура с нанораз-мерными частицами а-фазы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
2.
3.
Ильин А.А., Гольцова М.В. Некоторые аспекты водородной обработки материалов// Техноло- 4. гия легких сплавов. 2008. № 1. С. 5-8. Ильин А.А. Механизм и кинетика фазовых и структурных превращений в титановых сплавах. - М.: Наука, 1994. - 304 с. 5.
Водородная технология титановых сплавов/ А.А. Ильин, Б.А. Колачев, В.К. Носов, А.М. Мамонов/Под общ. редакцией А.А Ильина. - М.:
МИСиС, 2002. - 392 с.
Колачев Б.А., Ильин А.А., Носов В.К., Мамонов А.М. Достижения водородной технологии титановых сплавов//Технология легких сплавов. 2007. № 3. С. 10-26. Ильин А.А., Скворцова С.В., Мамонов А.М. Управление структурой титановых сплавов методом термоводородной обработки//Физико-химичес-кая механика материалов. 2008. № 3. С. 28-34.
