CC BY
18
DOI 10.25987^Ти.2020.16.2.021 УДК 621.785.532
ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПЛАСТИЧНОСТИ ПОВЕРХНОСТНЫХ ГАЗОНАСЫЩЕННЫХ СЛОЕВ ТИТАНА В УСЛОВИЯХ БЕЗОКИСЛИТЕЛЬНОГО ОТЖИГА
А.Б. Булков, В.В. Пешков, И.Б. Корчагин, Д.А. Болдырев Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия
Аннотация: целью данной работы являлось установление закономерностей развития процесса восстановления пластических свойств поверхностных газонасыщенных слоев титана в условиях безокислительного отжига. В качестве объекта исследования использованы образцы из листового проката титанового сплава ВТ6 толщиной 2 мм с газонасыщенным слоем толщиной 0,6 мкм, созданным в результате предварительного отжига. Растворение охрупченных слоев производилось в условиях изотермического безокислительного отжига в интервале температур 700...850 °С. Для оценки процесса восстановления пластичности поверхностных слоев использовали топографию деформированной поверхности при разрушении исследуемого образца изгибом. Определена температурно-временная область эффективности вакуумного отжига для восстановления пластических свойств титановых сплавов. Установлено, что этот эффект достигается за счет перераспределения кислорода из поверхностных слоев изделия по его объему. Получены зависимости, позволяющие оценивать параметры режима отжига (температуру и время), необходимые для очистки поверхности титана от охрупченной части газонасыщенных слоев в зависимости от их исходной толщины. Материалы статьи представляют практическую ценность для предприятий и организаций, разрабатывающих технологии изготовления тонкостенных конструкций из титана и его сплавов для авиационной и космической техники
Ключевые слова: титан, отжиг, газонасыщенные слои, пластичность, топография
Введение
В процессе вакуумного отжига, которому подвергаются сварные конструкции из титана и его сплавов для снятия остаточных напряжений и уменьшения содержания водорода, на их поверхности в результате взаимодействия с остаточными газами вакуумированого пространства формируются газонасыщенные слои, снижающие усталостные характеристики конструкции [1]. Наиболее опасной частью поверхностного газонасыщенного слоя является, так называемый, охрупченный слой, который имеет низкую пластичность и при деформации легко растрескивается, т.е. характеризуется низким сопротивлением зарождению трещин [2].
Усталостные характеристики титана, содержащего после вакуумного отжига газонасыщенные слои, могут быть восстановлены путем удаления (например, химическим травлением или механической обработкой) этих охрупченных слоев [3, 4]. Однако использование таких технологических процессов сопровождается безвозвратными потерями дорогостоящего титана и является неблагоприятным с точки зрения экологии.
О принципиальной возможности восстановления пластических свойств поверхностных газонасыщенных слоев и, как результат этого,
© Булков А.Б., Пешков В.В., Корчагин И.Б., Болдырев Д.А., 2020
повышения служебных свойств титана путем его отжига, обеспечивающего перераспределение газов из поверхностных слоев по объему заготовки, отмечалось, например, в работе [1]. Однако приведенные в литературных источниках данные носят частный характер и не позволяют выполнить количественную оценку этого процесса.
Целью данной работы являлись установление закономерностей развития процесса восстановления пластических свойств поверхностных газонасыщенных слоев титана в условиях безокислительного отжига и получение зависимостей, позволяющих оценивать параметры режима отжига (температуру и время), необходимые для очистки поверхности титана от охрупченной части газонасыщенных слоев в зависимости от их исходной толщины.
Методика экспериментальных исследований
Экспериментальные исследования проводили на образцах диаметром 16 мм и толщиной 2 мм из серийно выпускаемого сплава ВТ6. Поверхности образцов шлифовали, полировали и обезжиривали, а затем отжигали в вакуумной камере при разрежении воздуха до 2,6 Па при температуре 600 °С в течение 20 мин. В результате взаимодействия с остаточными газами ва-куумированного пространства (в первую очередь с кислородом) на поверхности образцов формировались газонасыщенные слои, охруп-
ченная часть которых составляла 0,6±0,1 мкм (рис. 1).
в - х20000
Рис. 1. Типичный вид в изломе охрупченных слоев, формирующихся на поверхности образцов в процессе отжига при 600°С и разрежении воздуха 2,6 Па
Затем при разрежении воздуха до 610-2 Па для восстановления пластических свойств поверхностных слоев титана отжигали одновременно по два образца, между исследуемыми поверхностями которых помещали прокладку в виде шайбы из титановой фольги толщиной 0,08 мм, препятствующую контактированию поверхностей (рис. 2).
Р
Рис. 2. Схема расположения образцов при восстановительном отжиге: 1 - образцы с охрупченными слоями, 2 - шайба, 3 - стенка вакуумной камеры, 4 - нагреватель
Исключение возможности попадания газов из вакуумной камеры в зазор между образцами достигалось их сжатием с усилием Р=50 Н. При этом в пространстве между образцами при нагреве в результате абсорбции остаточных газов титаном развивался процесс автовакуу-мирования и создавались условия безокислительного отжига [5].
В качестве критерия развития процесса восстановления пластичности поверхностных слоев использовали топографию деформированной поверхности при разрушении исследуемого образца изгибом.
Так, после разрушения образцов без термообработки и при отсутствии на их поверхности охрупченных слоев в зоне наибольшей деформации формируется типичный «бугристый» рельеф с проявлением в отдельных местах следов скольжения (рис. 3, а).
На образцах, имевших на поверхности охрупченные слои, сформировавшиеся в процессе вакуумного отжига, зона максимальной деформации характеризуется наличием регулярно расположенных трещин, расстояние между которыми пропорционально толщине охрупченного слоя (рис. 3, б).
Отжиг в условиях автовакуумирования образцов с газонасыщенными слоями показал, что по мере увеличения длительности отжига (или повышения его температуры) топография поверхности в зоне деформации характеризуется нерегулярностью расположения трещин и увеличением расстояния между ними (рис. 3, в-д).
ешШЫЯтЩш
Рис. 3. Типичные виды топографии деформированной поверхности образцов в состоянии поставки (а), после окисления при 600 °С (б) и последующего вакуумного отжига с увеличением времени (в^г^д^е), х1000
Это можно объяснить увеличением глубины охрупченной части газонасыщенного слоя при одновременном уменьшении градиента концентрации газа, обусловленном его диффузионным перераспределением по глубине газонасыщенного слоя.
Дальнейшее увеличение длительности отжига приводит к образованию в зоне наибольшей деформации специфического рельефа с
наличием следов скольжения без растрескивания поверхности (рис. 3, е).
Способность титана с охрупченными слоями после отжига в условиях автовакуумирова-ния деформироваться без растрескивания поверхности следует считать признаком восстановления ее пластических свойств, а в качестве кинетического параметра процесса восстановления пластичности можно использовать время
е
в
(тв), необходимое для восстановления этих свойств.
Целью экспериментальных исследований было определение времени тв в условиях изотермического безокислительного отжига в интервале температур 700...850 °С при исходной толщине охрупченного слоя ¿«0,6 мкм.
Результаты экспериментальных исследований
Проведенные эксперименты показали, что с повышением температуры отжига время тв уменьшается и составляет: при 700 °С - 36000 с; при 750 °С - 7200 с; при 800 °С - 1800 с; при 850 °С - 300 с.
Если рассматривать процесс восстановления пластических свойств охрупченных газонасыщенных слоев в условиях безокислительного отжига как результат диффузии газов из плоского источника, находящегося на поверхности полубесконечного тела, в его глубину, то изменение концентрации газа - С на поверхности в зависимости от времени - т отжига описывается уравнением [6]:
С(т) =
(1)
2VDт '
где а - величина, пропорциональная толщине охрупченного газонасыщенного слоя - 3; D=Doexp(-E/RT) - коэффициент диффузии; Е - энергия активации процесса, контролирующего понижение концентрации газа в охруп-ченном слое; Т - температура отжига.
Из приведенного уравнения следует, что время тв, необходимое для понижения концентрации газа на поверхности до величины Св (Св - концентрация газа, при которой поверхностные слои титана восстанавливают свою пластичность и при деформации не растрескиваются), находится в экспоненциальной зависимости от температуры:
тв=k•exp(E/RT), (2)
где k=а2/(4•D0•Св2) можно считать постоянной величиной в условиях проведенного эксперимента.
Тогда
1п Тв = Ш • 1/Т + 1п к. (3)
Опытные данные в координатах 1п тв - 1/Т укладываются на прямую линию (рис. 4), из углового коэффициента которой следует, что эффективная энергия активации процесса восстановления свойств поверхности титановых образцов деформироваться без растрескивания составляет 273 кДж/моль. Сопоставление найденного значения с энергией активации
процесса диффузии кислорода в титане (которая, например, согласно [7] составляет 258 кДж/моль) дает основание считать, что процесс восстановления пластических свойств охруп-ченных газонасыщенных слоев, образующихся на поверхности титана при его отжиге в вакууме 2,6 Па, контролируется диффузией кислорода в металлической основе.
1п г,
10
~3
ю
107 т. к
Рис. 4. Зависимость 1п тв - ф(1/Т) для сплава ВТ6
Из уравнения (1) следует, что а=С(т)-2-^т)°'5. Так как величина а пропорциональна толщине охрупченного слоя 3, то кинетика процесса восстановления пластических свойств этого слоя за счет растворения кислорода в титане может быть описана параболическим законом
32 = кр • тв , (4)
где кр - константа восстановления пластических свойств охрупченных слоев за счет перераспределения кислорода между слоем и металлической основой.
Используя выражение (4) и приведенные выше результаты экспериментальных данных по зависимости тв=ф(^тж) при исходной толщине охрупченного слоя 3«0,6 мкм, можно дать количественную оценку величины кр для сплава ВТ6 в зависимости от температуры отжига: для температур 700, 750, 800, 850 °С она составляет соответственно 10-5, 5^10"5, 2 • 10-4, 1,2^10"3 мкм2/с.
Найденные значения кр могут быть аппроксимированы выражением:
кр= 5•109•exp(273000/RT), мкм2/с. (5)
Результаты оценки времени тв и температуры Т безокислительного отжига, необходимых для восстановления слоя толщиной 3, рассчитанные по выражению
Тв = 2Л0л^ехр(32836/Т)32, с, (6) приведены на рис. 5.
Рис. 5. Зависимость тв - ф(8охр) при температурах отжига, °С: 1 - 800; 2 - 850; 3 - 900; 4 - 950; 5 - 1000
Так, после полного вакуумного отжига сварной конструкции из сплава ВТ6 при 700 °С в течение 2 часов формируется охрупченный слой толщиной ~7 мкм, что приводит к снижению повторно-статической выносливости листового сплава ВТ6 (при испытаниях на растяжение с частотой 0,7.0,8 Гц, коэффициентом асимметрии цикла R=+0,1 и максимальным напряжением атах«0,8ав по методике [3, 4]) на 65 %. Восстановление пластических свойств поверхности и повышение повторно-статической выносливости до уровня материала без газонасыщенного слоя в данном случае может быть достигнуто безокислительным отжи-
гом при 900 °С в течение 4 часов или при 950 °С в течение 1 часа.
Заключение
В результате проведенных исследований получена эмпирическая зависимость re=ç(S,T), позволяющая оценивать время тв и температуру Т безокислительного отжига, обеспечивающего восстановление пластических свойств охрупченного газонасыщенного слоя толщиной S и повышение повторно-статической выносливости листового сплава ВТ6 до уровня материала без газонасыщенного слоя за счет перераспределения кислорода из поверхностных слоев изделия по его объему.
Литература
1. Колачев Б.А., Садков В.В., Талалаев В.Д. Вакуумный отжиг титановых конструкций. М. : Машиностроение, 1991. 224 с.
2. Определение глубины охрупченной части окисленного слоя на поверхности титана / В.В. Пешков, Г.Д. Дель, Л.М. Орлова, В.Н. Милютин // Заводская лаборатория. 1986. № 9. С.75-77.
3. Повторно-статическая выносливость листового сплава ОТ4 с не полностью удаленным поверхностным газонасыщенным слоем / А.Б. Коломенский, Б.А. Колачев, А.Н. Рощупкин, А.В. Дегтярев // Физико-химическая механика материалов. 1989. № 5. С. 112-114.
4. Влияние регламентированного съема травлением поверхностного газонасыщенного слоя на долговечность при малоцикловой усталости листов из титана ВТ1-0 / А.Б. Коломенский, Б.А. Колачев, А.В. Дегтярев, А.Н. Ро-щупкин // Технология легких сплавов. 1990. № 6. С. 20-24.
5. Автовакуумирование в контактном зазоре при диффузионной сварке титана / В.В. Пешков, Г.П. Беспло-хотный, Л.В. Усачева, В.Р. Петренко // Сварочное производство. 2004. № 11. С. 15-17.
6. Шьюмон П. Диффузия в твердых телах. М.: Металлургия, 1966. 195 с.
7. Цвиккер У. Титан и его сплавы. М.: Металлургия, 1979. 511 с.
Поступила 14.02.2020, принята к публикации 25.03.2020 Информация об авторах
Булков Алексей Борисович - канд. техн. наук, доцент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), тел. 8-960-124-38-11, e-mail: abulkov@cchgeu.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-7326-4846
Пешков Владимир Владимирович - д-р техн. наук, профессор, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), тел. 8-473-278-38-84, e-mail: vlvlpeshkov@cchgeu.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2802-6574
Корчагин Илья Борисович - канд. техн. наук, доцент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), тел. 8-950-756-82-83, e-mail: ikorchagin@cchgeu.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2399-2319
Болдырев Дмитрий Алексеевич - магистрант, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), тел. 8-980-541-55-90, e-mail: dim.boldirev@yandex.ru
RESTORATION OF PLASTICITY OF SURFACE GAS-SATURATED TITANIUM LAYERS UNDER CONDITIONS OF NON-OXIDATIVE ANNEALING
A.B. Bulkov, V.V. Peshkov, I.B. Korchagin, D.A. Boldyrev
Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia
Abstract: the purpose of this work was to establish the regularities of the process of restoring the plasticity of surface gas-saturated layers of titanium under conditions of non-oxidative annealing. As an object of study, we used samples from rolled sheet of VT6 titanium alloy with a thickness of 2 mm with a gas-saturated layer of 0.6 ^m, created as a result of preliminary annealing. The embrittled layers were dissolved under the conditions of isothermal, non-oxidative annealing in the temperature range of 700...850 °C. To assess the process of restoring the plasticity of surface layers, we used the topography of the deformed surface during destruction by bending of the test sample. The temperature-time range of the vacuum annealing efficiency was determined to restore the plastic properties of titanium alloys. We established that this effect is achieved due to the redistribution of oxygen from the surface layers of the product over its volume. We obtained the dependencies that make it possible to estimate the parameters of the annealing regime (temperature and time) necessary for cleaning the titanium surface from the embrittered part of gas-saturated layers, depending on their initial thickness. The materials of this article are of practical value for enterprises and organizations developing technologies for the manufacture of thin-walled structures of titanium and its alloys for aviation and space technology
Key words: titanium, annealing, gas-saturated layers, plasticity, topography
References
1. Kolachev B.A., Sadkov V.V., Talalaev V.D. "Vacuum annealing of titanium structures" ("Vakuumnyy otzhig titanovykh konstruktsiy"), Moscow, Mashinostroenie, 1991, 224 p.
2. Peshkov V. V., Del G. D., Orlova L. M., Milyutin V. N. "Determination of the depth of the embrittled part of the oxidized layer on the surface of titanium", Factory laboratory (Zavodskaya laboratoriya), 1986, no. 9, pp. 75-77.
3. Kolomenskiy A.B., Kolachev B.A., Roshchupkin A.N., Degtyarev A.V. "Re - static endurance of sheet alloy OT4 with incompletely removed gas-saturated surface layer", Physical Chemical Mechanics of Materials (Fiziko-khimicheskaya mekhanika ma-terialov), 1989, no. 5, pp. 112-114.
4. Kolomenskiy A.B., Kolachev B.A., Degtyarev A.V., Roshchupkin A.N. "Influence of regulated removal by etching of a surface gas-saturated layer on durability at low-cycle fatigue of sheets made of titanium VT1-0", Technology of Light Alloys (Tekhnologiya legkikh splavov), 1990, no. 6, pp. 20-24.
5. Peshkov V. V., Besplokhotnyy G. P., Usacheva L. V., Petrenko V. R. "Auto vacuum in the contact gap during diffusion welding of titanium", Welding Production (Svarochnoye proizvodstvo), 2004, no. 11, pp. 15-17.
6. Shumon P. "Diffusion in solids" ("Diffuziya v tverdykh telakh"), Moscow: Metallurgy, 1966, 195 p.
7. Zwicker W. "Titanium and its alloys" ("Titan i yego splavy"), Moscow: Metallurgy, 1976, 447 p.
Submitted 14.02.2020; revised 25.03.2020 Information about the authors
Aleksey B. Bulkov, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University, (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh, 394026, Russia), e-mail: abulkov@cchgeu.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-7326-4846
Vladimir V. Peshkov, Dr. Sc. (Technical), Professor, Voronezh State Technical University, (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh, 394026, Russia), e-mail: vlvlpeshkov@cchgeu.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2802-6574
Il'ya B. Korchagin, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt,
Voronezh, 394026, Russia), e-mail: ikorchagin@cchgeu.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2399-2319
Dmitriy A. Boldyrev - MA, Voronezh State Technical University, (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh, 394026, Russia), e-mail:
dim.boldirev@yandex.ru
