Влияние термоводородной обработки на формирование структуры и комплекс механических свойств жаропрочного титанового сплава Ti-8, 3Al-2, 1Mo-2, 2Zr-0, 2Si

На протяжении всего периода развития авиационно-космической промышленности не теряет своей актуальности задача уменьшения массы узлов деталей двигателей и повышение их надёжности в условиях эксплуатации.

После того' как возможности снижения массы стальных деталей за счет конструктивных мер были практически исчерпаны, на первый план выступили альтернативные материалы такие как, керамика и жаропрочные титановые сплавы. Применение титановых сплавов вместо сталей позволило снизить массу двигателя на 35−40%.

Обычно жаропрочные титановые сплавы применяют для изготовления деталей кратковременно работающих при высоких температурах (до 800°С), или при температурах 500° - 550 °C сравнительно небольшое время — несколько сотен часов, или в интервале температур 350° - 450 °C, но в течение длительного времени, исчисляемого годами и десятками лет.

К настоящему времени возможности лучших серийных сплавов, разработанных как в России, так и за рубежом (ВТ18У, ВТ36, ВТ25У, 1М1834, ТИ100,116 242 и другие), в плане повышения ресурса, уровня рабочих температур и комплекса механических и эксплуатационных свойств, практически исчерпаны.

Одним из перспективных направлений развития жаропрочных материалов является создание титановых сплавов с повышенным содержанием алюминия, обеспечивающим интерметаллидное упрочнение. Однако, в титановых сплавах с концентрацией алюминия, превышающей его предельную растворимость в а-фазе (~7% масс.), в процессе длительной эксплуатации при повышенных температурах происходит выделение в частицах а-фазы/ дисперсной, когерентной а2-фазы на основе интерметаллида Т1зА1, что приводит к охрупчиванию материала и разрушению деталей в процессе эксплуатации. обработки не предоставляется возможным. Поэтому разработанные еще на рубеже 60-х — 70-х годов сплавы этого класса СТ4 (Россия), Т1−8111 (США) с содержанием алюминия 8−9% не нашли практического применения и актуальным стал поиск принципиально новых технологических способов обработки жаропрочных титановых сплавов с интерметаллидным упрочнением, которые позволили бы решить эту проблему.

Одним из таких способов является термоводородная обработка (ТВО), основанная на обратимом легировании водородом. К настоящему времени разработаны научные основы ТВО и показана высокая эффективность в управлении структурой литых и деформированных титановых сплавов разных классов и повышении их механических, эксплуатационных и технологических свойств. На примере конструкционных титановых сплавов показана возможность получения с помощью ТВО гетерофазной структуры, в которой протекание процессов упорядочения происходит в отдельных частицах а-фазы, что не приводит к охрупчиванию в условиях длительного термического воздействия. Однако недостаточно полно изучены вопросы, связанные с температурно-концентрационными условиями' формирования такой структуры в сплавах с повышенным содержанием алюминия, нет систематических исследований по её оптимизации, не установлено её влияние на комплекс механических свойств.

Поэтому задача создания в титановых сплавах, содержащих около 9% алюминия, термодинамически стабильной структуры с интерметаллидным упрочнением, обеспечивающей высокий уровень механических свойств при нормальной и повышенных температурах является актуальной.

Научная новизна:

1. Для опытного сплава 'П-8,ЗА1−2,1 Мо-2,27г-0,281 построена диаграмма, показывающая изменение фазового состава в зависимости от температуры наводороживающего отжига и содержания водорода после охлаждения до нормальной температуры со скоростью больше первой критической. Определена температурно-концентрационная область существования упорядоченной а2-фазы.

2. Показано, что в процессе наводороживающего отжига при температурах двухфазной (а+(3)-области в сплаве 14−8,ЗА1−2,1Мо-2^г-0,281 вследствие развития а—"Р-превращения происходит перераспределение легирующих элементов между аи рфазами, приводящее к увеличению содержания алюминия в частицах первичной а-фазы, протеканию в них процессов упорядочения и образованию частиц а2-фазы на основе интерметаллида Тл3А1 вследствие развития а->а2-превращения.

3. Показана возможность создания в сплаве Ть8, ЗА1−2,1Мо-2,22г-0,281 несвойственной ему в равновесном состоянии структуры, содержащей помимо аи Рфаз некогерентные частицы а2-фазы. Установлено, что такая структура имеет высокую термическую стабильность при температурах, которые по крайней мере на 50 °C ниже температуры предшествующего вакуумного отжига.

Практическая значимость:

Разработана технология термоводородной обработки опытного титанового сплава Ть8, ЗА1−2,1Мо-2,22г-0,281, включающая наводороживающий отжиг при температуре 700 °C до концентрации 0,6% и последующий вакуумный отжиг при температуре 650 °C в течение 12 часов, позволившая создать термически стабильную бимодальную структуру а-фазы, содержащую некогерентные частицы а2-фазы и обеспечивающую значения прочности не менее 1100 МПа, пластичности 10%, ударной вязкости 0,25 МДж/м и кратковременной прочности при 600 °C -650 МПа.

Разработанная технология была использована Фондом «МиТОМ» при производстве опытной партии изделий из сплава Ti-8,ЗAl-2ДMo-2,2Zr-0,2Si.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. Установлено, что, изменяя температуру наводороживающего отжига и/или содержания водорода в сплаве Т1−8,3 А1−2,1 Мо-2,22г-0,281, можно в широком диапазоне изменять его фазовый состав и структуру после охлаждения со скоростью выше первой критической до нормальной температуры. Показано, что наводороживающий отжиг при температуре 900 °C с увеличением: содержания водорода в сплаве от 0,006% до 1,0% позволяет получить в сплаве структуру от однофазной а'(а") до однофазной р. С понижением температуры наводороживающего отжига до 800 °C с ростом концентрации водорода структура изменяется от двухфазной (а+р) до' гетерофазной (а (а2)+Р+а"), а при наводороживании при 700 °C от (а+Р) до (а (а2)+Р+(аэ+8)).

2. Для опытного титанового сплава Т1−8,ЗА1−2,1Мо-2,2гг-0,28ь построена, диаграмма «фазовый состав — концентрация водорода — температура наводороживающего отжига», показывающая изменение фазового состава сплава при нормальной температуре в зависимости от температуры наводороживающего отжига и содержания водорода после охлаждения до нормальной температуры со скоростью больше первой критической.

3. Показана возможность образования в сплаве Ti-8,ЗAl-2,lMo-2^2Zr-0,2Si, дополнительно легированном водородом, упорядоченной а2-фазы на, основе интерметаллида ГП3А1. Определена температурно-концентрационная область её существования.

4. Установлен механизм образования а2-фазы при наводороживающем отжиге в (а+Р)-области. Показано, что развитие а—>Рпревращения под действием водорода сопровождается перераспределением легирующих элементов между Р~ и. афазами, и обогащения последней алюминием до состава, близкого к стехиометрическому Т13А1, что создаёт термодинамические условия для протекания в частицах первичной а-фазы процессов упорядочения и образования а2-фазы.

5. Показано, что ТВО, включающая наводороживающий отжиг при температурах не выше 800 °C до концентрации 0,6% водорода и последующий вакуумный отжиг при температурах ниже 750 °C, позволяет создать гетерофазную структуру, несвойственную сплаву Ті-8,ЗА1−2,1Мо-2,22г-0,28і в равновесном состоянии и содержащую помимо Р-фазы некогерентные частицы а2-фазы и дисперсную вторичную адсг-фазу, обедненную алюминием.

6. Определены температурно-временные параметры термической стабильности (а2+адег+Р)-структуры в сплаве Ті-8,ЗА1−2,1Мо-2^г-0,28і. Показано, что такая структура имеет высокую термическую стабильность при температурах по крайней мере на 50 °C ниже температуры предшествующего г вакуумного отжига.

7. Показано, что создание с помощью ТВО в сплаве Ті-8,3А1−2ДМо-2,27г-0,28і различных типов структуры позволяет получить значения прочности 1000 — 1100 МПа, пластичности 10 — 17% и ударной вязкости 0,23 — 0,28 МДж/м2, которые остаются практически неизменными после 100 часовой выдержки при температурах по крайней мере на 50 °C ниже температуры предшествующего вакуумного отжига. В сплаве с исходным содержанием водорода изотермическая обработка приводит к снижению почти в 2 раза пластичности и ударной вязкости за счёт образования в а-фазе дисперсных когерентных частиц а2-фазы.

8. Проведённые испытания сплава Ті-8,ЗЛ1−2,1Мо-2,22г-0,28і при температуре 600 °C показали, что максимальную кратковременную прочность (ст600) — 650 МПа и длительную прочность — 200 МПа имели образцы после наводороживающего отжига до 0,6% при температуре 700 °C и вакуумного отжига при 650 °C.

— 801.5.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ПО ЛИТЕРАТУРНОМУ ОБЗОРУ.

И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ.

Анализ литературных данных показал, что наиболее жаропрочные промышленные титановые сплавы представляют собой деформируемые псевдо-а сплавы, комплексно легированные алюминием, Р-стабилизаторами и нейтральными упрочнителями. В настоящее время в авиастроении применяются жаропрочные конструкционные сплавы с псевдо-а и а+Р-структур ой, такие как 1М1834, ВТ18У, Т16 242Э, ВТ25, ВТ8, ВТ25У. Наряду с исследованиями по усовершенствованию уже существующих сплавов во всем мире ведутся работы по созданию новых жаропрочных титановых сплавов с интерметаллидым упрочнением. Однако жаропрочные титановые сплавы (с содержанием алюминия более 7%) не нашли применения в конструкциях авиационных двигателей из-за низкой термической стабильности.

Проблему термической стабильности жаропрочных титановых сплавов с высоким содержанием алюминия большинство авторов связывает с процессами упорядочения, развивающимися в а-фазе и приводящими к выделению интерметаллида Т13А1(а2). Так при содержании алюминия в титане на уровне более 6−7% (масс.) комплексное легирование не является гарантией эффективного подавления процесса выделения охрупчивающей аг-фазы [38, 39].

Кроме того, анализ литературы показал, что далеко не всегда удается достичь оптимального сочетания механических и технологических свойств, располагая для воздействия1 на структуру сплава лишь температурными, скоростными и временными факторами.

В связи с этим одним из наиболее эффективных способов создания необходимой структуры и соответственно, требуемого комплекса свойств титановых сплавов является термоводородная обработка.

Необходимо отметить, что в литературе практически отсутствуют данные о важнейших характеристиках жаропрочных сплавов: длительной прочности, сопротивления ползучести, вязкости разрушения, сопротивления усталости и др.

Цель настоящей работы состояла в установлении закономерностей влияния термоводородной обработки и термического воздействия на формирование фазового состава, структуры и комплекс механических свойств опытного титанового сплава Т1−8,ЗА1−2,1Мо-2,22г-0,281 и разработке на этой основе технологии его обработки, обеспечивающей повышение комплекса механических свойств при нормальной и повышенных температурах.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Установить влияние температуры наводороживающего отжига и концентрации вводимого водорода на формирование фазового состава и структуры опытного титанового сплава Ть8, ЗА1−2,1Мо-2,2гг-0,281.

2. Установить влияние температуры вакуумного отжига на закономерности формирования фазового состава и структуры сплава Ti-8,ЗAl-2,lMo-2,2Zr-0,2Si, дополнительно легированного водородом.

3. Оценить термическую стабильность структуры сплава Т1−8,ЗА1−2,1Мосформированной в процессе термоводородной обработки.

4. Установить влияние структуры, сформировавшейся в сплаве 11−8,ЗА1−2,1Мо-2^г-0,281 при термоводородной обработки, на комплекс механических свойств при нормальной и повышенных температурах.

— 82-Глава II.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Исследования проводили на образцах, вырезанных из горячекатаного прутка опытного титанового сплава. Исследуемый сплав является модификацией промышленного сплава ВТ9. Химический состав опытного сплава приведен в таблице 2.1.