CC BY
12
Ij|p tl315.fm Page 65 Friday, September 11, 2015 3:33 PM ^^
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
УДК 669.295
ВОЗМОЖНОСТИ ПОВЫШЕНИЯ
КАЧЕСТВА ПОКОВОК ДИСКОВ ИЗ СПЛАВА ВТ6
ПУТЕМ КОРРЕКТИРОВКИ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА
И. С. Полькин, докт. техн. наук (ОАО «ВИЛС», e-mail: info@oaovils.ru), Ю.Б. Егорова, докт. техн. наук, Л.В. Давыденко, канд. техн. наук
(МАТИ-РГТУ им. К.Э. Циолковского)
Проведены статистические исследования химического состава и механических свойств поковок дисков из сплава ВТ6, изготовленных с 2007 по 2014 гг. Оценена доля вариации механических свойств поковок, обусловленная колебаниями содержания легирующих элементов и примесей.
Ключевые слова: поковки дисков, титановый сплав ВТ6, химический состав, механические свойства.
Possibilities of an Improvement in Forged VT6 Alloy Disks via Chemical Composition Correction. I.S. Polkin, Yu.B. Yegorova, L.V. Davydenko.
Statistical investigations of chemical composition and mechanical properties of VT6 alloy disks produced within the period of 2007-2014 have been carried out. Contribution made by a change in mechanical properties of the disks, caused by variations in alloying element and impurity contents is evaluated.
Key words: dick forgings, VT6 titanium alloy, chemical composition, mechanical properties.
С 2007 г. МАТИ совместно с ВИЛСом и МАМИ проводит комплексные статистические исследования химического состава и механических свойств различных полуфабрикатов из титановых сплавов, изготовленных на разных предприятиях за последние 40 лет.
Основные результаты исследований, опубликованные в работе [1], показали, что данные промышленного контроля можно эффективно использовать не только для мониторинга качества промышленной продукции по широкому диапазону показателей, но и для совершенствования существующих и внедрения инновационных технологических процессов, в том числе основанных на вероятностно-статистическом подходе и 1Т-технологиях.
Цель настоящей работы состояла в разработке рекомендаций для повышения качества поковок дисков из титанового сплава ВТ6 на основе установления статистических закономерностей влияния химического состава на
механические свойства. Для этого необходимо было решить следующие задачи:
1. Установить статистические средние значения содержания легирующих элементов, примесей, механических свойств и их колебания, проверить на соответствие нормативной документации (НД).
2. Провести статистическое сравнение химического состава и механических свойств поковок, изготовленных в 2007-2009 (по старой технологии) и в 2010-2014 гг. (по новой технологии).
3. Оценить долю вариации механических свойств поковок, обусловленную влиянием химического состава.
4. Разработать рекомендации, позволяющие повысить качество поковок из сплава ВТ6.
Объектами исследования послужили 27 слитков и штампованных поковок дисков из сплава ВТ6 (одного типоразмера), изготовленных по промышленной технологии в
-Ф-
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
2007-2014 гг. Слитки в 2007-2009 гг. были выплавлены методом тройного вакуумного дугового переплава (3ВДП), а в 2010-2014 гг. -гарнисажным + тройным вакуумным дуговым переплавом (Гр + 3ВДП). Поковки были подвергнуты термической обработке по режиму: температура нагрева 930-950 °C, выдержка 2 ч, охлаждение в воде и старение при 750 °С, выдержка 2 ч, охлаждение на воздухе. Механические свойства при комнатной температуре определяли на образцах, вырезанных в хордовом (тангенциальном) направлении из технологического припуска поковок, при испытаниях на растяжение, ударный изгиб и усталость.
В работе проведены первичная статистическая обработка, статистический контроль качества и корреляционно-регрессионный анализ в программе Stadia [2]. Исследуемыми факторами послужили данные промышленного контроля химического состава слитков (содержание Al, V и тринадцати примесей, структурные эквиваленты по алюминию [Al ]стр и молибдену
стр -'экв
[Mo]экв ) и механические свойства более 600
образцов (предел прочности, относительное удлинение, поперечное сужение, ударная вязкость KCU и KCT, число циклов до разрушения N при ст = 450 МПа). Структурные эквиваленты по алюминию и молибдену оценивали по соотношениям, приведенным в [3].
Статистический контроль качества проводили в соответствии с рекомендациями ГОСТ 50779.10-2000, ГОСТ 50779.11-2000,
ГОСТ 50779.21-2004, ГОСТ 50779.42-99, ГОСТ 50779.44-2001 и требованиями руководства сертификационного центра «Материал» Р СЦМ-04-2010 «Оценка качества авиационных материалов/полуфабрикатов при сертификации их производства». Статистический контроль качества включал анализ соответствия химического состава и механических свойств слитков и деформированных полуфабрикатов требованиям нормативной документации, а также статистическую оценку стабильности химического состава и механических свойств по гистограммам, коэффициенту вариации, контрольным картам и по индексам пригодности Рр, Ррк (для нестабильного процесса) или воспроизводимости Ср, Срк (для стабильного процесса).
Для оценки силы статистической связи между исследуемыми факторами были рассчитаны коэффициенты парной и множественной линейной и нелинейной корреляции И. Долю вариации у механических свойств, обусловленную влиянием исследуемого фактора, оценивали как у = И2100 %. Проверку значимости коэффициентов корреляции и регрессии, адекватности регрессионной модели осуществляли с доверительной вероятностью 0,95 несколькими способами: с помощью коэффициента детерминации, критериев Фишера и Стьюдента.
В табл. 1 приведены результаты первичной статистической обработки содержания
Таблица 1 Статистические характеристики химического состава (% мас.) слитков сплава ВТ6
Статистические характеристики Al V Fe C N O Si Zr
Диапазон по НД (ОСТ 192077-91) 5,3-6,8 3,5-5,3 <0,60 <0,10 <0,05 <0,20 <0,10 <0,30
Диапазон по факту Среднее по факту X Слит 6,426,68 6,55 си 3ВДП 4,684,71 4,69 (2009 г. 0,230,25 0,24 0,0090,022 0,023 0,0060,009 0,007 0,170,18 0,175 0,0210,027 0,024 0,010,01 0,01
Сл Диапазон по факту Среднее по факту X Стандартное отклонение Коэффициент вариации, % итки Гр + 6,266,70 6,52 0,10 1,5 3ВДП (2 4,675,23 4,90 0,15 3,0 >010-20 0,180,26 0,22 0,02 10,0 14 гг.) 0,0070,014 0,010 0,002 23,0 0,0020,008 0,005 0,001 30,0 0,160,19 0,17 0,01 4,0 0,0150,025 0,021 0,003 14,0 0,0100,013 0,010
-Ф-
-Ф-
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
Количество слитков
Количество слитков
1 —
Т"
5,3 6,05 6,8 3,5 4,4 5,3
Содержание А1, % Содержание V, %
Количество слитков
0 0,1 0,2 Содержание кислорода, %
Рис. 1. Гистограммы с указанием поля допуска и среднего значения по ОСТ190013—81 (20 слитков Гр + 3ВДП, 2010-2014гг.)
легирующих элементов и примесей в слитках (3ВДП, Гр + 3ВДП). Химический состав слитков, выплавленных разными способами, мало отличается, но можно отметить несколько большее содержание примесей в слитках 3ВДП.
Диапазоны легирования основными компонентами (А1, V) не выходят за установленные пределы по ОСТ1 90013 [4]. Коэффициент вариации равен 1,5 и 3,0 %, что свидетельствует о достаточно высокой однородности химического состава в пределах марки сплава и удовлетворяет требованиям Руководства Р СЦМ-04-2010 (<7 %). Содержание кислорода соответствует ОСТ и лежит в интервале 0,16-0,19%, так как слитки были дополнительно микролегированы кислородом для повышения прочности. Однако гистограммы для алюминия, ванадия и кислорода сдвинуты к верхнему пределу поля допуска, а среднее фактическое значение алюминия и ванадия выше среднего по ОСТ на 0,5 % (рис. 1).
В табл.2 приведены результаты первичной статистической обработки механических свойств двух партий поковок 2007-2009 и 2010-2014 гг. Средние значения механических свойств этих партий мало отличаются друг от друга, но существенно различаются показателями разброса. Диапазон и средние значения механических свойств поковок в целом соот-
Таблица 2
Статистические характеристики степени легирования и механических свойств поковок дисков из сплава ВТ6
Статистические характеристики [ А1С , % [Мо]£ , % МПа* 8, % V, % кси, МДж/м2 КСТ, МДж/м2 Ы, циклы
Диапазон по НД** - - 9501150 >10 >25 >0,4 >0,36*** >0,15 -
Диапазон по факту Среднее по факту X Стандартное отклонение Коэффициент вариации, % 8,438,64 8,54 200 3,954,04 4,00 )7-2009 10031153 1067 36,4 3,4 гг. 4,819,6 15,0 2,53 17,0 29,352,4 45,1 4,7 10,0 0,330,52 0,443 0,041 9,0 - -
Диапазон по факту Среднее по факту X Стандартное отклонение Коэффициент вариации, % 8,118,81 8,40 0,15 1,8 201 3,814,38 4,10 0,14 3,4 0-2014 10251115 1065 13,8 1,3 гг. 10,818,8 14,7 I,63 II,0 29,253,3 46,2 3,6 7,8 0,330,59 0,47 0,037 7,0 0,160,30 0,22 0,04 18,5 7,9 • 1032,0-104 1,88 • 104 2231 12,0
*В работе принято 1 кгс/мм2 = 10 МПа. **ОСТ1 90197-89.
***По ОСТ 1-90197-89, в/к 4 п. 3.6.2.
-Ф-
-Ф-
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
ветствуют нормативной документации [5], но для поковок 2007-2009 гг. отдельные значения относительного удлинения и ударной вязкости ниже минимального уровня, регламентированного НД. Прочностные и пластические характеристики могут изменяться в довольно широких пределах как для конкретной плавки, так и в пределах всей обобщенной партии поковок разного химического состава. Разница между максимальным и минимальным значениями (размах) предела прочности составляет 150 МПа (2007-2009 гг.) и 90 МПа (2010-2014 гг.). Стандартное отклонение предела прочности равно 36,4 и 13,8 МПа соответственно, коэффициент вариации 3,4 и 1,3%.
Более высокий разброс значений имеют ударная вязкость, пластические и усталостные свойства. Для этих характеристик величина коэффициента вариации на порядок выше, чем для временного сопротивления разрыву. Для относительного удлинения он равен 17% (2007-2009 гг.) и 11% (2010-2014 гг.), для поперечного сужения - 10 и 8 %; для ударной вязкости - 9 и 7 % соответственно. Наиболее высокий разброс имеет долговечность - 12%.
Для показателей механических свойств были построены гистограммы и проведена проверка нормальности распределения (рис. 2). Для партии поковок 2010-2014 гг. подтвержден нормальный закон распределения механических свойств. Вместе с тем наблюдается смещение пластических характеристик и ударной вязкости к нижнему пределу поля допуска. При существующей технологии производства
Количество образцов
Л
1
г
.И
ц
950
МПа
Количество образцов
1150 10
14
5, %
18
Л"
--ь1 пН п_.......1
Й
\
\
1.. \
■■Ч
25
50
V, %
0,36 0,4 0,5
кси, МДж/м2
Рис. 2. Гистограммы механических свойств с указанием поля допуска по ОСТ190197—89 (2010—2014гг.)
вероятность появления значений 5 и КСи, выходящих за рамки НД, становится весьма реальной (табл. 3). Несмотря на довольно высокие средние значения пластичности и ударной вязкости, из-за разброса их свойств вероятность появления брака по относительному удлинению может составлять 0,2 % (2 образца на 1000), по ударной вязкости КСи - 2,94% (29-30 образцов на 1000 при минимальном допустимом значении Х^ = 0,4 МДж/м2) или 0,14 % (1-2 поковки при Х^Д, = 0,4 МДж/м2).
Возможно, это связано с тем, что слитки были легированы алюминием, ванадием и кислородом по верхнему пределу поля допуска, что может привести к браку по верхнему пре-
Таблица 3
в
Вероятностный процент несоответствий механических свойств поковок из сплава ВТ6 по нижнему пределу (2010—2014 гг.)
Свойства Число образцов в партии Х НД лт1п Х Э Р В, % Вероятностное число брака на 1000
ств, кгс/мм2 614 95* 106,5 1,38 0,1 1
5, % 614 10* 14,7 1,63 0,2 2
V, % 614 25* 46,2 3,61 0 0
КСи, МДж/м2 640 0,40* 0,47 0,37 2,94 29-30
640 0,36** 0,47 0,37 0,14 1-2
*По ОСТ 1-90197-89, табл. 1. **По ОСТ 1-90197-89, в/к 4 п. 3.6.2.
-Ф-
-Ф-
-Ф-
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
Таблица 4 в Вероятностный процент несоответствий по верхнему пределу содержания легирующих элементов и кислорода в слитках титановых сплавов (2010—2014 гг.)
Элемент Число слитков в партии ХНД % тах ' Хфакт * % тах ' Х , % Э, % рв, % Вероятностное число бракованных слитков на 1000 Хреком , не более
А1 V О *Сред 20 20 20 нее арифметич 6,8 5,3 0,2 еское дву 6,7 5,23 0,19 х измерении 6,52 4,90 0,17 й (верх 5 I ООО " 250 л 0,26 0,43 0,13 итка). 2-3 4-5 1-2 6,45 4,75 0,16
делу (см. рис. 1, табл. 4). Несоответствие содержания алюминия по верхнему пределу может появиться с вероятностью 0,26 %, т. е. возможны 2-3 бракованных слитка из 1000. Для ванадия этот показатель еще выше - таких слитков может быть примерно 4-5 на 1000, а для кислорода - 1-2 слитка на 1000. Для того чтобы исключить брак по верхнему пределу, необходимо, чтобы вероятностный процент несоответствий был менее 0,05 %, т. е. < 5 несоответствий на 10 000 слитков: Р(Х> ХтДх ) = = 0,0005. Если разброс останется на прежнем уровне, то среднее рекомендуемое содержание Хреком алюминия и ванадия тогда необходимо снизить на 0,1-0,2 %, кислорода на 0,01-0,015 %. В табл. 4 приведено среднее содержание легирующих элементов и кислорода Хреком , которое можно рекомендовать для исключения возможности появления брака по верхнему пределу.
Провести полную оценку стабильности химического состава удалось не полностью, так как для этого недостаточен объем выборок, особенно для слитков 3ВДП 2007-2009 гг. Вместе с тем можно отметить, что в 20102014 гг. процесс производства слитков Гр + 3ВДП в целом является стабильным по разбросу легирующих элементов (индексы Ср > 1,33), но наблюдается нестабильность содержания алюминия, ванадия и кислорода. Так как индексы Срк лежат в интервале 0,67-1,33, процесс можно считать в целом стабильным и управляемым, но он требует дополнительного анализа и корректировки среднего содержания основных компонентов.
Индексы воспроизводимости Ср для предела прочности поковок увеличились с 0,92 (2007-2009 гг.) до 2,42 (2010-2014 гг.), что свидетельствует о снижении разброса по отношению к границам допуска, а также о повышении стабильности процесса по разбросу. Однако для предела прочности, относительного удлинения и ударной вязкости индексы Срк менее 1,33, что свидетельствует о необходимости корректировки по положению среднего значения с учетом разброса.
Таблица 5
Коэффициенты корреляции И между механическими свойствами и химическим составом поковок из сплава ВТ6
Коэффициент корреляции Я*
Факторы 8 кси N
А1 0,31 -0,11 -0,12 -016 0,1
С 0,2 -0,1 -0,06 -0,17 -0,1
Ре 0,12 0,06 0,02 -0,14 0,05
N 0,37 0,07 -0,14 0,03 0,03
О 0,53 -0,17 -0,24 -0,4 -0,1
Б1 0,06 0,05 0,01 0,01 0,05
V 0,32 -0,05 -0,10 -0,3 -0,05
[ А1С 0,54 -0,12 -0,13 -0,3 0,11
[ МоС 0,38 -0,06 -0,11 -0,28 -0,06
[ А1С* 0,58 0,32 0,35 0,37 0,23
[ МоС
*Жирным шрифтом выделены значимые коэффициенты корреляции.
4
А315.1ш Раве 70 Fгiday, Septembeг 11, 2015 3:33 РМ
4
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
МПа
Для того чтобы оценить степень влияния колебаний химического состава на разброс механических свойств, в работе был проведен корреляционный анализ данных 2010-2014 гг. Полученные результаты (табл.5) показали, что изменение содержания каждого элемента по отдельности или не влияет, или слабо влияет на свойства поковок.
Это, скорее всего, обусловлено небольшими интервалами их изменения, но их совместное действие, которое можно оценить с помощью интегральных характеристик химического состава [А1 ]э^ и [Мо]экв , оказалось более существенным и значимым (см. табл. 5) Доля вариации прочности, обусловленная суммарными колебаниями химического состава Д([А1 ]э^ + [Мо^ ) = 1,3 %, составляет у = Я2100 % « 35 %. Для пластических характеристик и ударной вязкости этот показатель равен -10-15%, а для долговечности - всего -5 %.
На рис. 3 приведены регрессионные зависимости предела прочности и ударной вязкости от степени легирования сплава ВТ6, выраженной через эквиваленты по алюминию и молибдену. Увеличение [А1 ]экв + [Мо]экв на 1 % мас. приводит к повышению временного сопротивления разрыву в среднем на -35-40 МПа и снижению ударной вязкости на -0,04 МДж/м2, что составляет около 40 и 1 5 % от общего абсолютного изменения свойств соответственно. Полученные результаты (см. табл. 5, рис. 3) показывают, что только предел прочности достаточно сильно зависит от степени легирования сплава, в то время как другие свойства в меньшей степени реагируют на изменение химического состава в исследованных пределах. Это может быть связано с тем, что при корреляционном анализе не была учтена роль структуры поковок. Этот фактор может иметь существенное значение, так как на основе многочисленных экспериментальных данных было
установлено, что из стандартных свойств наиболее чувствительны к типу структуры усталостные и пластические характеристики [2, 6]. Так, изменение усталостных свойств для пластинчатой структуры по сравнению с глобулярной может достигать 40-80 %, тогда как изменение предела прочности не превышает 20 % [2, 6, 7]. Долю вариации свойств, обусловленную структурным фактором, можно оценить, если ввести в обработку структурные факторы (тип структуры, размеры структурных составляющих, количество первичной а-фазы, вторичной а-фазы, р-фазы и т. п.). Такие статистические исследования планируется впоследствии продолжить совместно с предприятиями-производителями и потребителями титановых полуфабрикатов. Основными результатами предстоящих иссле-
1110
1080
1050
1020
КСи, МДж/м2
0,56
0,48
0,40
12,6
[А1]СэКВ + [Мо]СКВ, %
Рис. 3. Зависимость предела прочности и ударной вякости от степени легирования поковок дисков из сплава ВТ6 (2010-2014гг.)
[А1]эКВ + [Мо]СкВ, %
"Ф
-Ф-
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
дований станет оценка влияния различных технологических факторов, химического состава и структуры на кратковременные, усталостные свойства, а также вязкость разрушения различных полуфабрикатов.
Выводы
1. Проведена статистическая оценка химического состава и механических свойств поковок дисков из сплава ВТ6 с 2007 по 2014 гг.
2. Установлено, что в целом технологический процесс производства поковок по новой технологии является стабильным, контролируемым и управляемым, но требует допол-
нительного анализа и корректировки ряда факторов.
3. Выявлено, что доля вариации прочностных свойств поковок дисков из сплава ВТ6, обусловленная колебаниями химического состава, составляет -35 %; пластических свойств и ударной вязкости -10-15%, усталостных характеристик -5 %.
4. Для исключения выпадов по 3ст-интер-валу и снижения брака целесообразно снизить среднее фактическое содержание легирующих элементов (алюминия и ванадия на 0,1-0,2%) и кислорода (на 0,01-0,015%) в слитках сплава ВТ6 путем корректировки состава шихты.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
-Ф
1. Полькин И.С., Егорова Ю.Б., Давыденко Л.В.
Статистическая оценка свойств титановых сплавов // Технология легких сплавов. 2015. № 1. С.27-36.
2. Кулаичев А.П. Методы и средства комплексного анализа данных. - М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2006. - 512 с.
3. Ильин А.А., Колачев Б.А., Полькин И.С. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства. - М.: ВИЛС - МАТИ, 2009. - 520 с.
4. ОСТ1 92077-91. Титановые сплавы. Марки.
5. ОСТ1 90197-89. Поковки дисков и валов кованые и штампованные из титановых сплавов.
6. Александров В.К., Аношкин Н.Ф., Бочвар Г.А. и др. Полуфабрикаты из титановых сплавов. -М.: Металлургия, 1979. - 512 с.
7. Ильин А.А., Скворцова С.В., Спектор В.С., Куделина И.М., Орешко Е.И. Взаимосвязь структуры и комплекса механических свойств в титановом сплаве ВТ6 // Титан. 2011. № 1. С. 26-29.
-Ф
-Ф-
