Актуальность темы. Высокопрочные (а+Р)-титановые сплавы переходного класса, к основным представителям которого относятся сплавы ВТ22, ¥875553 и Т1-10У-2Ре-3А1, являются перспективными для применения в силовых тяжелонагруженных конструкциях авиакосмической техники в деталях шасси, фюзеляжа, крыла самолета, крепежных деталях типа силовых болтов за счет высокой удельной прочности, вязкости, коррозионной стойкости, прокаливаемости и высокой надежности при эксплуатации.
Как известно, одним из главных критериев качества полуфабрикатов из сплавов данного класса является их структура, строгая регламентация которой обеспечивает реализацию высокого комплекса механических свойств. Однако формирование требуемой конечной структуры для конкретных видов полуфабрикатов и изделий предопределяет свои трудности на различных этапах обработки сплавов. Во-первых, относительно низкая теплопроводность, невозможность исправления зеренной структуры только методами термической обработки , неравномерность деформации при получении полуфабрикатов делает проблематичным формирование однородной мелкозернистой структуры промежуточных деформированных заготовок при высокотемпературной обработке в Р- и (а+Р)-области. Во-вторых, при холодной пластической деформации, необходимость в использовании которой возникает при правке изделий после их охлаждения от высоких температур, важно учитывать нестабильность высокотемпературного Р-твердого раствора к механическому воздействию, проявляющуюся в реализации деформационно-индуцированных превращений. В-третьих, при использовании в качестве окончательной операции термической обработки готового полуфабриката двойного старения через низкотемпературную ступень, применение которого, как показывает опыт для псевдо-Р-сплавов, в ряде случаев может быть достаточно эффективно, нужно принимать во внимание протекание превращений в ходе распада метастабильного Р-твердого раствора с образованием низкотемпературных продуктов распада (®, ан) на первой ступени старения, что несомненно повлечет за собой изменение протекания процессов распада на второй ступени старения, лежащей в высокотемпературной области.
Исследование процессов структурообразования и формирования фазового состава и свойств в полуфабрикатах из данного класса сплавов на каждом из отмеченных выше этапах их термической и деформационной обработок позволит расширить области применения сплавов, разработать новые и усовершенствовать применяемые на сегодняшний день режимы термической и термомеханической обработок для реализации высокой конструкционной прочности, что является актуальной задачей материаловедения титановых сплавов.
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: аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» по темам №2210 (проект РНП.2.1.1.6544), №2244 (проект №2.1.2/7175); федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» по теме №62245 (госконтракт №02.740.11.160).
Целью работы явилось изучение закономерностей формирования структуры, фазового состава и свойств в (а+Р)-титановых сплавах переходного класса ВТ22, Т1-10-2-3 и У8Т5553 при различных режимах термической и деформационной обработок.
В работе были поставлены и решены следующие задачи:
1. Изучить протекание процессов рекристаллизации и изменение фазового состава в сплавах переходного класса в условиях варьирования температурно-временных параметров высокотемпературной обработки деформированных полуфабрикатов.
2. Рассмотреть влияние холодной пластической деформации осадкой закаленных на метастабильный Р-твердый раствор сплавов на структурообразование, фазовые превращения и свойства.
3. Исследовать протекание процессов распада метастабильных фаз при непрерывном нагреве, а также при различных схемах старения в закаленных и деформированных сплавах.
4. Предложить режимы получения высокопрочного состояния полуфабрикатов с использованием методов упрочняющей термической обработки.
Научная новизна.
Установлены закономерности протекания рекристаллизационных процессов в горячедеформированных осадкой полуфабрикатах из сплава Т1-10-2-3 в зависимости от параметра Надаи-Лоде, определяющего деформированное состояние материала.
Обнаружено, что значительный перегрев в Р-области (Тпп+100...150 ОС) сплава У8Т5553 способствует резкому увеличению концентрации вакансий, активизирующих диффузионные процессы, и становящихся причиной появления предвыделений, не формирующих в ОЦК-матрице собственную решетку. Показано, что присутствие предвыделений в сплаве, охлажденном на воздухе, тормозит процессы распада Р-твердого раствора в низкотемпературной области по гомогенному механизму и активизирует Р^а -превращение по гетерогенному механизму распада в интервале 470.650 ОС, по сравнению с закалкой в воду.
Изучена стадийность протекания деформационно-индуцированных Р-т-а" (сплав ВТ22) и р-а"-а'-переходов (сплав Т1-10-2-3), наблюдаемых при холодной деформации метастабильного Р-твердого раствора. Предложена кристаллогеометрическая модель деформационно-индуцированных фазовых переходов и рассмотрены морфологические особенности формирующейся структуры.
Показано, что наличие в структуре первичных частиц а-фазы в закаленном сплаве Т1-10-2-3 не подавляет образование «-фазы при старении метастабильного Р-твердого раствора, но способствует ее выделению в областях, удаленных от первичных а-частиц, а вблизи этих частиц выделяется неравновесная ан-фаза.
Практическая значимость.
Разработана методика оценки степени деформации в сплавах переходного класса при осадке по зеренной структуре Р-твердого раствора, выявляемой при микроструктурном анализе.
Предложена ступенчатая термическая обработка для исключения появления в структуре сплава У8Т5553 предвыделений, формирующихся при обработках в Р-области, за счет отжига вакансий.
Разработан режим упрочняющей термической обработки для сплава ВТ22, включающий операции закалки и двойного старения, обеспечивающий получение высокопрочного состояния (аВ> 1450 МПа; 5 > 8 %;
КСИ > 0,32 МДж/м2).
На защиту выносятся следующие основные положения и результаты.
1. Формирование структуры и фазового состава при высокотемпературной обработке горячедеформированных полуфабрикатов из сплавов ВТ22, Т1-10-2-3 и У8Т5553 и рекомендации по оптимизации параметров обработки.
2. Эволюция фазового состава, структуры, изменение свойств при холодной пластической деформации осадкой в закаленных на метастабильный Р-твердый раствор сплавах ВТ22 и Т1-10-2-3.
3. Оригинальные режимы термической обработки с использованием операции двойного старения, обеспечивающие высокий уровень прочностных свойств полуфабрикатов.
Апробация работы. Материалы диссертации были доложены и обсуждены на Международных конференциях: «Т1-2009 в СНГ», Украина, г. Одесса, 2009 г.; «Т1-2010 в СНГ», г. Екатеринбург, 2010 г.; «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов ЭЕМЫ-2007», г. Москва, 2007 г.; на VII, IX и X Международной научно-технической Уральской школе- семинаре металловедов - молодых ученых, г. Екатеринбург 2006, 2008 и 2009 гг.; на Международной научной школе для молодежи «Материаловедение и металлофизика легких сплавов», г. Екатеринбург, 2010 г.; на XVI, XVII, XVIII Международной конференции молодых ученых по приоритетным направлениям развития науки и техники, г. Екатеринбург, 2008, 2009 и 2010 гг.; на XIX и XX Уральской школе металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов», г. Екатеринбург, 2008 г. и г. Пермь, 2010 г.; на IV и V Российской научно-технической конференции «Физические свойства металлов и сплавов», г. Екатеринбург, 2007, 2009 гг.
Публикации. По материалам исследования опубликовано 17 печатных работ, отражающих основное содержание диссертации, в том числе 2 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и приложения; изложена на 184 страницах, включает 128 рисунков, 8 таблиц, список литературы содержит 134 наименования.
Автор выражает благодарность научному сотруднику ИФМ УрО РАН Елкиной Ольге Аркадьевне за помощь в проведении электронномикроскопических исследований, а также профессору кафедры ОМД ФГАОУ ВПО «УрФУ им. первого Президента России Б.Н. Ельцина» Логинову Юрию Николаевичу за помощь в моделировании процессов горячей осадки полуфабрикатов с помощью пакета инженерного анализа «RAPID 2D».
1. Изучена кинетика протекания процесса рекристаллизации при постдеформационных выдержках 0.32 минуты при температурах деформации Тпп+20 ОС в горячедеформированном полуфабрикате из сплава Т1-10У-2Ре-3А1 в зависимости от степени деформации сдвига и схемы деформации (параметра Надаи-Лоде). Показано, что наиболее полно рекристаллизационные процессы реализуются в интервале значений параметра Надаи-Лоде 0,2. 1 при степенях деформации сдвига ~ 2,2, свыше которых наблюдается явление текстурного торможения рекристаллизации.
2. Установлено, что нагрев горячекатаных в (а+Р)-области прутковых полуфабрикатов из сплава ВТ22 в интервал температур Тпп-30 оС.Тпп-20 °С с выдержкой 1 час способствует формированию мелкозернистой структуры со средним размером субзерна ~ 5.10 мкм.
3. Обнаружено, что температура нагрева в Р-области в значительной степени влияет на структуру сплава У8Т5553 после охлаждения. При значительном перегреве Тпп+100.150 °С в сплаве резко увеличивается число вакансий, активизирующих диффузионные процессы, и становящихся причиной появления предвыделений, не формирующих в ОЦК-матрице собственную решетку. Присутствие предвыделений тормозит процессы распада Р-твердого раствора в низкотемпературной области по гомогенному механизму и активизирует Р^а-превращение по гетерогенному механизму распада при непрерывном нагреве сплава. Предложена ступенчатая термическая обработка для исключения появления в структуре сплава У8Т5553 предвыделений за счет отжига вакансий.
4. Предложена методика оценки степени деформации в сплавах при осадке по зеренной структуре, выявляемой при микроструктурном анализе.
5. Определена последовательность протекания деформационно-индуцированных фазовых переходов и развития структурных преобразований при холодной деформации осадкой метастабильного Р-твердого раствора в сплавах ВТ22 и Ti-10V-2Fe-3Al. Предложена кристаллогеометрическая модель деформационно-индуцированных переходов и рассмотрены морфологические особенности формирующейся структуры.
6. Изучена стадийность протекания процессов распада в закаленных и холоднодеформированных прутковых полуфабрикатах из сплавов ВТ22 и Ti- 10V-2Fe-3Al при нагреве. Установлено, что образование деформационно- индуфированных фаз (т, а”, а') и увеличение наклепа при холодной деформации способствуют сдвигу температурных интервалов, связанных с процессами распада, в область низких температур примерно на 50 °С, по сравнению с закаленным состоянием.
7. Обнаружено, что в ходе низкотемпературного старения сплава Ti-10V-2Fe-3Al при температурах 250 °С, 300 °С независимо от температуры закалки (как из Р- , так и (а+Р)-области) происходит распад метастабильного Р-твердого раствора с образованием мелкодисперсных частиц ш-фазы при 250 °С, а при 300 °С и ан-неравновесной фазы. Наличие в структуре первичных частиц а-фазы не подавляет образование ш-фазы, но способствует выделению неравновесной ан-фазы в прилегающих областях к а-частицам.
8. Разработан режим упрочняющей термической обработки сплава ВТ22, включающий закалку на воздухе с 830 °С, и двойное старение (500 °С, 8 часов + 600 °С, 1 час), который обеспечивает получение высокопрочного состояния (аВ> 1450 МПа; S > 8 %; KCU > 0,32 МДж/м2).
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
