ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ, ТЕКСТУРЫ И СВОЙСТВ ПРИ ПРОКАТКЕ ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ β-ФАЗЫ И ИНТЕРМЕТАЛЛИДА Ti2AlNb
|
Актуальность темы. Сплавы на основе титана являются одним из важнейших конструкционных материалов. Их применение наиболее целесообразно в тех областях техники, где необходимо сочетание высокой удельной прочности, жаропрочности и коррозионной стойкости: судостроении, аэрокосмической и химической промышленности и т.д.
Ответственные сферы применения этих сплавов требуют дальнейшего повышения механических и эксплуатационных свойств, уменьшения анизотропии свойств за счет разработки новых режимов термомеханической обработки, позволяющих получить высокий уровень прочности при удовлетворительных пластических и вязкостных характеристиках.
Получение листовых полуфабрикатов 0-сплавов связано с большими суммарными степенями деформации. Тем не менее существует проблема структурной неоднородности, которая заключается в том, что сохраняются крупные нерекристаллизованные 0-зерна. После упрочняющей обработки в листах появляется заметная анизотропия свойств, прежде всего по показателям пластичности. Данная задача существует уже много лет и касается широкого спектра титановых (а+0)- и 0-сплавов. Для ее решения в данной работе исследовали формирование текстурного и структурного состояний в процессе изготовления листов титанового псевдо 0-сплава ТС6.
Другой проблемой, с которой сталкиваются при получении фольг, - низкая технологическая пластичность материала. Это касается интерметаллидных сплавов вообще и сплавов на основе Т12Л1ЫЬ, в частности. Зарубежные технологии получения фольги из этого материала включают в себя окончательное утонение до толщины 0,1 мм электролитическими методами, что усложняет и удорожает технологию производства. Поэтому разработка технологии получения фольги исключительно деформационными методами (прокаткой) представляет большой интерес и требует серьезного изучения фазовых и структурных превращений в процессе обработки.
В связи с этим представляется необходимой постановка исследований, направленных на разработку режимов термомеханической обработки (ТМО), позволяющих получить сплавы со стабильно высокими механическими свойствами, а также фольгу из труднодеформируемого сплава на основе Т12Л1ИЬ в производственных условиях.
Работа выполнена в соответствии с основными направлениями научной деятельности кафедры «Термообработка и физика металлов» ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» в рамках госбюджетных научно-исследовательских работ Минобрнауки РФ (тема № 2218); проектов в аналитической ведомственной целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 гг.)» (тема № 2244) в федеральной целевой программе «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (тема №62245) и федеральной целевой программе «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы».
Целью работы являлось обоснование технологических режимов получения изотропных тонколистовых полуфабрикатов из 0-титановых сплавов и фольги из интерметаллидного сплава ВТИ-4, а также проведение промышленной апробации предложенных технологий.
В работе были поставлены следующие задачи:
1. Определить основные факторы, определяющие анизотропию свойств тонколистовых полуфабрикатов титановых псевдо 0-сплавов;
2. На научной основе разработать методы устранения или минимизации влияния факторов, ответственных за анизотропию свойств в листовых полуфабрикатах псевдо-0 титановых сплавов;
3. Разработать системный подход получения листов из псевдо 0-сплава ТС6 с однородной мелкозернистой структурой и повышенным комплексом свойств;
4. Установить изменения структурного состояния и фазового состава интерметаллидного сплава ВТИ-4 в процессе термической обработки, направленной на подготовку структурного состояния и фазового состава, обеспечивающих достаточный уровень пластичности для осуществления холодной деформации при изготовлении фольги;
5. Провести апробацию полученных технологических решений для промышленных условий с получением пилотных образцов (опытных партий).
Научная новизна.
1. Выявлены дополнительные факторы, обеспечивающие эффект текстурного торможения рекристаллизации при горячей прокатке титановых псевдо 0-сплавов. Такими факторами являются:
• полуспециальные границы;
• ликвидация в ходе деформации «выступов», возникших на ранних стадиях деформации, на границах зерен;
• образование стабильного плоского фронта роста рекристаллизованных зерен;
• образование внутризеренных малоугловых границ, служащих стоками дислокаций линий скольжения.
2. Определены интервалы температур и скоростей охлаждения при термообработке листовых полуфабрикатов сплава ВТИ-4, позволяющие производить фиксацию высокотемпературной 0-фазы при закалке.
3. Установлены качественные отличия формирования текстуры сплава ВТИ-4 в процессах горячей и холодной прокаток. В отличие от горячей прокатки (в пакете), при холодной, наблюдается ослабление полюсной плотности плоскостей {100}.
Практическая значимость.
1. Выработаны основные технологические подходы к устранению структурной анизотропии в листовых полуфабрикатах в сплаве ТС6. Реализация разработанных подходов позволила получить заготовки с однородной мелкозернистой структурой (Вср менее 100 мкм) и повышенным уровнем механических свойств после ТМО.
2. Предложена технология получения фольги толщиной 80 мкм из интерметаллидного сплава ВТИ-4.
На защиту выносятся следующие основные положения и результаты.
1. Систематизация основных факторов, определяющих возникновение анизотропии структуры при изготовлении тонколистовых полуфабрикатов титановых псевдо 0-сплавов.
2. Технологические решения получения тонколистовых полуфабрикатов титановых псевдо 0-сплавов с однородной структурой, высоким и стабильным уровнем механических свойств.
3. Результаты исследования фазового состава и структурного состояния интерметаллидного сплава ВТИ-4. Параметры термической обработки заготовки, обеспечивающие получение структурного состояния с достаточной пластичностью для холодной прокатки в ходе производства фольги.
4. Технология получения фольги толщиной 80 мкм из интерметаллидного сплава ВТИ-4.
Апробация работы. Материалы диссертации были доложены и обсуждены на 1ХХ и XX Уральских школах металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов»; на Международной конференции “Т1-2006 в СНГ”, Суздаль, 2006; на Международной конференции “Т1-2008 в СНГ”, Санкт-Петербург, 2008; на 111-ей Евразийской научно-практической конференции «Прочность неоднородных структур», Москва, 2006; на VIII, IX и X Уральских школах- семинарах металловедов-молодых ученых, Екатеринбург, 2005, 2006, 2007 гг.; на VIII, IX отчетных научных конференциях молодых ученых ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ», 2008, 2009 гг.
Публикации. По материалам исследования опубликовано 11 печатных работ, отражающих основное содержание диссертации.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы; изложена на 133 страницах, включает 83 рисунка, 11 таблиц, список литературы содержит 88 наименований.
Работа выполнена при научной и методической консультации профессора, д.т.н. Попова А.А. и доцента, к.т.н. Илларионова А.И. Автор выражает благодарность за помощь в работе сотрудникам центральной заводской лаборатории и цеха №16 ОАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА».
Ответственные сферы применения этих сплавов требуют дальнейшего повышения механических и эксплуатационных свойств, уменьшения анизотропии свойств за счет разработки новых режимов термомеханической обработки, позволяющих получить высокий уровень прочности при удовлетворительных пластических и вязкостных характеристиках.
Получение листовых полуфабрикатов 0-сплавов связано с большими суммарными степенями деформации. Тем не менее существует проблема структурной неоднородности, которая заключается в том, что сохраняются крупные нерекристаллизованные 0-зерна. После упрочняющей обработки в листах появляется заметная анизотропия свойств, прежде всего по показателям пластичности. Данная задача существует уже много лет и касается широкого спектра титановых (а+0)- и 0-сплавов. Для ее решения в данной работе исследовали формирование текстурного и структурного состояний в процессе изготовления листов титанового псевдо 0-сплава ТС6.
Другой проблемой, с которой сталкиваются при получении фольг, - низкая технологическая пластичность материала. Это касается интерметаллидных сплавов вообще и сплавов на основе Т12Л1ЫЬ, в частности. Зарубежные технологии получения фольги из этого материала включают в себя окончательное утонение до толщины 0,1 мм электролитическими методами, что усложняет и удорожает технологию производства. Поэтому разработка технологии получения фольги исключительно деформационными методами (прокаткой) представляет большой интерес и требует серьезного изучения фазовых и структурных превращений в процессе обработки.
В связи с этим представляется необходимой постановка исследований, направленных на разработку режимов термомеханической обработки (ТМО), позволяющих получить сплавы со стабильно высокими механическими свойствами, а также фольгу из труднодеформируемого сплава на основе Т12Л1ИЬ в производственных условиях.
Работа выполнена в соответствии с основными направлениями научной деятельности кафедры «Термообработка и физика металлов» ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» в рамках госбюджетных научно-исследовательских работ Минобрнауки РФ (тема № 2218); проектов в аналитической ведомственной целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 гг.)» (тема № 2244) в федеральной целевой программе «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (тема №62245) и федеральной целевой программе «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы».
Целью работы являлось обоснование технологических режимов получения изотропных тонколистовых полуфабрикатов из 0-титановых сплавов и фольги из интерметаллидного сплава ВТИ-4, а также проведение промышленной апробации предложенных технологий.
В работе были поставлены следующие задачи:
1. Определить основные факторы, определяющие анизотропию свойств тонколистовых полуфабрикатов титановых псевдо 0-сплавов;
2. На научной основе разработать методы устранения или минимизации влияния факторов, ответственных за анизотропию свойств в листовых полуфабрикатах псевдо-0 титановых сплавов;
3. Разработать системный подход получения листов из псевдо 0-сплава ТС6 с однородной мелкозернистой структурой и повышенным комплексом свойств;
4. Установить изменения структурного состояния и фазового состава интерметаллидного сплава ВТИ-4 в процессе термической обработки, направленной на подготовку структурного состояния и фазового состава, обеспечивающих достаточный уровень пластичности для осуществления холодной деформации при изготовлении фольги;
5. Провести апробацию полученных технологических решений для промышленных условий с получением пилотных образцов (опытных партий).
Научная новизна.
1. Выявлены дополнительные факторы, обеспечивающие эффект текстурного торможения рекристаллизации при горячей прокатке титановых псевдо 0-сплавов. Такими факторами являются:
• полуспециальные границы;
• ликвидация в ходе деформации «выступов», возникших на ранних стадиях деформации, на границах зерен;
• образование стабильного плоского фронта роста рекристаллизованных зерен;
• образование внутризеренных малоугловых границ, служащих стоками дислокаций линий скольжения.
2. Определены интервалы температур и скоростей охлаждения при термообработке листовых полуфабрикатов сплава ВТИ-4, позволяющие производить фиксацию высокотемпературной 0-фазы при закалке.
3. Установлены качественные отличия формирования текстуры сплава ВТИ-4 в процессах горячей и холодной прокаток. В отличие от горячей прокатки (в пакете), при холодной, наблюдается ослабление полюсной плотности плоскостей {100}.
Практическая значимость.
1. Выработаны основные технологические подходы к устранению структурной анизотропии в листовых полуфабрикатах в сплаве ТС6. Реализация разработанных подходов позволила получить заготовки с однородной мелкозернистой структурой (Вср менее 100 мкм) и повышенным уровнем механических свойств после ТМО.
2. Предложена технология получения фольги толщиной 80 мкм из интерметаллидного сплава ВТИ-4.
На защиту выносятся следующие основные положения и результаты.
1. Систематизация основных факторов, определяющих возникновение анизотропии структуры при изготовлении тонколистовых полуфабрикатов титановых псевдо 0-сплавов.
2. Технологические решения получения тонколистовых полуфабрикатов титановых псевдо 0-сплавов с однородной структурой, высоким и стабильным уровнем механических свойств.
3. Результаты исследования фазового состава и структурного состояния интерметаллидного сплава ВТИ-4. Параметры термической обработки заготовки, обеспечивающие получение структурного состояния с достаточной пластичностью для холодной прокатки в ходе производства фольги.
4. Технология получения фольги толщиной 80 мкм из интерметаллидного сплава ВТИ-4.
Апробация работы. Материалы диссертации были доложены и обсуждены на 1ХХ и XX Уральских школах металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов»; на Международной конференции “Т1-2006 в СНГ”, Суздаль, 2006; на Международной конференции “Т1-2008 в СНГ”, Санкт-Петербург, 2008; на 111-ей Евразийской научно-практической конференции «Прочность неоднородных структур», Москва, 2006; на VIII, IX и X Уральских школах- семинарах металловедов-молодых ученых, Екатеринбург, 2005, 2006, 2007 гг.; на VIII, IX отчетных научных конференциях молодых ученых ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ», 2008, 2009 гг.
Публикации. По материалам исследования опубликовано 11 печатных работ, отражающих основное содержание диссертации.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы; изложена на 133 страницах, включает 83 рисунка, 11 таблиц, список литературы содержит 88 наименований.
Работа выполнена при научной и методической консультации профессора, д.т.н. Попова А.А. и доцента, к.т.н. Илларионова А.И. Автор выражает благодарность за помощь в работе сотрудникам центральной заводской лаборатории и цеха №16 ОАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА».
1. На примере сплава ТС6 определены и систематизированы факторы, ответственные за возникновение эффекта текстурного торможения рекристаллизации при горячей прокатке псевдо титановых 0-сплавов.
2. Экспериментально подтвержден факт возникновения в структуре горячекатаных полуфабрикатов псевдо титанового 0-сплава ТС6 полуспециальных границ и показана их взаимосвязь с эффектом текстурного торможения рекристаллизации.
3. Установлено, что отжиги в температурном диапазоне от 800 °С до 900 °С и
прокатка с деформацией более 5 % за проход на предварительной
низкотемпературной стадии горячей прокатки способствует стабилизации вытянутых нерекристаллизованных зерен (полос), т.к. накопленная внутренняя энергия в исходно рекристаллизованных зернах становится выше, чем в полосах. Отжиг при этих температурах способствует развитию рекристаллизации in situ и стабилизации полигональной структуры.
4 Выработаны основные технологические подходы к устранению полос в листовых полуфабрикатах в сплаве ТС6:
• установлена необходимость увеличения толщины горячекатаного подката до предельно возможной в промышленных условиях - 30 мм;
• прокатка горячекатаного подката проводится с прерываниями в сочетании с подготовительной низкотемпературной при установочной температуре нагрева 800 °С и последующей рекристаллизационной обработкой (900 °С), совмещенной с прокаткой.
• при этом установлена необходимость увеличения дробности горячей прокатки на подготовительной стадии (800 °С) с разовыми степенями деформации от 3 % до 5 % за проход, с ограничением суммарной степени деформации до 20 %.
Реализация разработанных подходов позволила получить листовые полуфабрикаты с однородной мелкозернистой структурой (D менее 100 мкм), высоким уровнем механических свойств в термоупрочненном состоянии: в листе толщиной 2,3 мм вдоль прокатки - о0,2 = 1350 МПа, св = 1470 МПа, 5 = 9 %; поперек прокатки - о0,2 = 1340 МПа, св = 1460 МПа, 5 = 7 %; в листе толщиной 1,2 мм вдоль прокатки - св = 1520 МПа, 5 = 8 %; поперек прокатки - Св = 1640 МПа, 5 = 6 %.
5. Рассмотрены закономерности изменения фазового состава и структурного состояния в процессе термической обработки деформируемых полуфабрикатов интерметаллидного сплава ВТИ-4. Показано, что при фиксации в структуре горячекатаного подката не менее 50 % высокотемпературного 0- твердого раствора возможна холодная прокатка с высокими степенями деформации.
6. Установлено, что при вакуумном отжиге горячекатаного подката сплава ВТИ-4 в температурном интервале от 850 °С до 900 °С с охлаждением в потоке инертного газа фиксируется высокотемпературная 0-фаза, что позволяет проводить холодную деформацию с суммарной степенью деформации до 60 %. Показано, что повышение температуры отжига подката до 950 °С уменьшает устойчивость 0-фазы, поэтому скорость охлаждения в потоке инертного газа становится недостаточной для полной фиксации высокотемпературной 0-фазы. Появление продуктов низкотемпературного распада в структуре полуфабриката снижает деформируемость в холодном состоянии.
7. Разработана и реализована в промышленных условиях оригинальная технология получения фольги толщиной 80 мкм из интерметаллидного сплава ВТИ-4.
2. Экспериментально подтвержден факт возникновения в структуре горячекатаных полуфабрикатов псевдо титанового 0-сплава ТС6 полуспециальных границ и показана их взаимосвязь с эффектом текстурного торможения рекристаллизации.
3. Установлено, что отжиги в температурном диапазоне от 800 °С до 900 °С и
прокатка с деформацией более 5 % за проход на предварительной
низкотемпературной стадии горячей прокатки способствует стабилизации вытянутых нерекристаллизованных зерен (полос), т.к. накопленная внутренняя энергия в исходно рекристаллизованных зернах становится выше, чем в полосах. Отжиг при этих температурах способствует развитию рекристаллизации in situ и стабилизации полигональной структуры.
4 Выработаны основные технологические подходы к устранению полос в листовых полуфабрикатах в сплаве ТС6:
• установлена необходимость увеличения толщины горячекатаного подката до предельно возможной в промышленных условиях - 30 мм;
• прокатка горячекатаного подката проводится с прерываниями в сочетании с подготовительной низкотемпературной при установочной температуре нагрева 800 °С и последующей рекристаллизационной обработкой (900 °С), совмещенной с прокаткой.
• при этом установлена необходимость увеличения дробности горячей прокатки на подготовительной стадии (800 °С) с разовыми степенями деформации от 3 % до 5 % за проход, с ограничением суммарной степени деформации до 20 %.
Реализация разработанных подходов позволила получить листовые полуфабрикаты с однородной мелкозернистой структурой (D менее 100 мкм), высоким уровнем механических свойств в термоупрочненном состоянии: в листе толщиной 2,3 мм вдоль прокатки - о0,2 = 1350 МПа, св = 1470 МПа, 5 = 9 %; поперек прокатки - о0,2 = 1340 МПа, св = 1460 МПа, 5 = 7 %; в листе толщиной 1,2 мм вдоль прокатки - св = 1520 МПа, 5 = 8 %; поперек прокатки - Св = 1640 МПа, 5 = 6 %.
5. Рассмотрены закономерности изменения фазового состава и структурного состояния в процессе термической обработки деформируемых полуфабрикатов интерметаллидного сплава ВТИ-4. Показано, что при фиксации в структуре горячекатаного подката не менее 50 % высокотемпературного 0- твердого раствора возможна холодная прокатка с высокими степенями деформации.
6. Установлено, что при вакуумном отжиге горячекатаного подката сплава ВТИ-4 в температурном интервале от 850 °С до 900 °С с охлаждением в потоке инертного газа фиксируется высокотемпературная 0-фаза, что позволяет проводить холодную деформацию с суммарной степенью деформации до 60 %. Показано, что повышение температуры отжига подката до 950 °С уменьшает устойчивость 0-фазы, поэтому скорость охлаждения в потоке инертного газа становится недостаточной для полной фиксации высокотемпературной 0-фазы. Появление продуктов низкотемпературного распада в структуре полуфабриката снижает деформируемость в холодном состоянии.
7. Разработана и реализована в промышленных условиях оригинальная технология получения фольги толщиной 80 мкм из интерметаллидного сплава ВТИ-4.