Помощь студентам в учебе
ИССЛЕДОВАНИЯ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ МЕТОДАМИ СТРУКТУРНОГО И ТЕРМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА В ДВУХФАЗНЫХ СПЛАВАХ НА ОСНОВЕ ТИТАНА
|
Актуальность темы. Двухфазные сплавы на основе титана являются одним из важнейших конструкционных материалов и с каждым годом расширяются сферы их применения. Ответственные сферы использования (аэрокосмическая техника, судостроение, медицина и т.д.) требуют улучшения механических и эксплуатационных свойств титановых сплавов за счет оптимизации их фазового и структурного состояния методами термического и термомеханического воздействия.
Одним из важнейших параметров, который постоянно учитывается при назначении температурно-временных параметров обработки сплавов титана является температура полиморфного (а+Р)- Р - превращения (Тип) при которой сплав переходит полностью в однофазное Р - состояние. В настоящее время Тпп определяется, главным образом, металлографически - методом «пробных закалок». Данный метод обладает рядом недостатков: трудоемкость, низкая производительность, в ряде случаев субъективность и т.п. и необходим поиск альтернативных методов. Также, при производстве полуфабрикатов и изделий из двухфазных титановых сплавов, при выборе режимов их термической обработки и научно-обоснованного прогнозирования в зависимости от скорости охлаждения полуфабрикатов структуры и структурных градиентов по сечению и, следовательно, свойств важную роль играет определение температурных интервалов протекания процессов распада переохлажденного Р-твердого раствора при построении термокинетических диаграмм (ТКД) , особенно при охлаждении сплавов с низкой стабильностью Р-фазы, в частности, жаропрочных (а+Р)- мартенситного класса типа ВТ8М. Однако большинство существующих ТКД распада Р-твердого раствора двухфазных титановых сплавов либо построены для температур охлаждения из однофазной р - области, хотя режимы окончательной обработки обычно включают обработку в (а+Р)-области, либо характеризуются низкой детализацией структурных превращений.
Существует широкий круг физических методов анализа (дилатометрический, термический и другие), позволяющих фиксировать температурные интервалы фазовых превращений и получать информацию о значении критических точек в металлах и сплавах. Однако общедоступные прикладные методические рекомендации по проведению подобных экспериментов для титановых сплавов практически не встречаются. Кроме того применение дилатометрического метода для анализа фазовых превращений в титановых сплавах ограничено из-за незначительного объемного эффекта при а-0-превращении, поэтому перспективным видится применение метода дифференциального термического анализа (ДТА) и дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК), которые являются известными и достаточно распространенными исследовательскими методами, обладающими высокой чувствительностью к протеканию фазовых превращений, в том числе (а+Р)^Р-превращения в сплавах титана.
Еще одним важным фактором, определяющим формирующийся комплекс свойств, является установление наличия малого количества особо дисперсных частиц или негомогенности твердых растворов, формирующихся в ходе термического воздействия. Особо важную роль данный фактор играет в жаропрочных сплавах титана типа ВТ18У, а также в крупногабаритных полуфабрикатах из высокопрочных титановых сплавов (а+Р)-переходного класса типа У8Т5553. В частности, в сплаве ВТ18У при определенных режимах обработки, возможно формирование очень дисперсной интерметаллидной а2-фазы, катастрофически ухудшающей пластические характеристики материала, а в сплаве У8Т5553, вследствие совокупности низкой теплопроводности и диффузионной подвижности легирующих элементов, может наблюдаться формирование неоднородных структуры и твердых растворов при термической обработке, приводящей к понижению свойств, особенно вязкости и пластичности.
В последние годы заметно выросли аппаратные характеристики исследовательских приборов рентгеноструктурного анализа. В совокупности с постоянным развитием алгоритмического аппарата и ростом быстродействия вычислительной техники, это позволяет заметно повысить производительность и чувствительность рентгеноструктурных методов анализа по отношению к выявлению малых объемных долей фаз и негомогенности твердых растворов. Однако применительно к анализу выделения а2-фазы в жаропрочных псевдо-а-сплавах и определению однородности матричного твердого раствора в высокопрочных (а+Р)-
сплавах переходного класса титана эти методики широко не используются.
Исходя из этого, проведение исследований по разработке и использованию методик термического и структурного анализа для определения Тпп, построения ТКД, наличия выделений интерметаллидных фаз, уровня гомогенности твердых растворов позволит снизить трудоемкость и повысить производительность как научных, так и прикладных исследований для научно-обоснованного выбора режимов обработки изделий из титановых сплавов, что является актуальной задачей.
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 государственного задания на выполнение научно-исследовательских работ Минобрнауки РФ (регистрационный номер 3.829.2011); 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 (госконтракт № 02.740.11.0160), гранта РФФИ №10-03-96073-р_урал.
Цель работы- отработка и адаптация перспективных методик термического и рентгеноструктурного анализа двухфазных титановых сплавов для изучения фазовых и структурных превращений, реализуемых в условиях различных видов термического воздействия (непрерывные нагрев и охлаждение, изотермическая обработка).
В работе были поставлены и решены следующие задачи:
1. Разработать методику определения температуры полиморфного превращения в титановых сплавах разных классов методом дифференциальной сканирующей калориметрии.
2. Отработать методику построения термокинетических диаграмм распада 0- твердого раствора на основе данных дифференциальной сканирующей калориметрии на примере сплава ВТ8М.
3. Адаптировать методику полнопрофильного рентгеноструктурного анализа для определения характерных особенностей фазового состояния в жаропрочных сплавах типа ВТ18У после различных видов термической обработки.
4. Используя различные методы структурного анализа, проанализировать формирование структуры, фазового состава и свойств в сплаве У8Т5553 при термической обработке.
Научная новизна.
1. Дана интерпретация термических эффектов на термограммах титановых сплавах различных классов, исходя из анализа стадийности протекания фазовых и структурных превращений при непрерывном нагреве и охлаждении.
2. Построены термокинетические диаграммы распада 0 -твердого раствора, полученного при нагреве в двухфазной области в интервале 880...960 °С, для жаропрочного сплава ВТ8М и определены температурно-временные диапазоны выделения а- фазы различной морфологии, позволяющие научно-обоснованно осуществлять выбор режимов термического воздействия .
3. Методом аналитической электронной микроскопии получены новые данные по химическому составу фаз (первичной и вторичной а-фаз, а2- 0) образующихся в сплаве ВТ18У при длительной изотермической выдержке.
Практическая значимость.
1. Разработана методика проведения термического анализа титановых сплавов, установлены конкретные температурно-временные параметры обработки различных сплавов, позволяющие определять температуру полиморфного превращения этих сплавов с точностью, не уступающей методу пробных закалок.
2. Предложена методика съемки и обработки данных рентгеноструктурного фазового анализа (РСФА), обеспечивающая выделение на дифрактограммах жаропрочного сплава типа ВТ18У линий фаз с ГПУ-решеткой (а, а', а2), не разделяемые в обычных условиях проведения РСФА.
3. Предложен режим термической обработки высокопрочного титанового сплава У8Т5553, обеспечивающий повышение показателей энергоёмкости разрушения и пластических свойств.
На защиту выносятся следующие основные положения и результаты.
1. Методика проведения термического анализа титановых сплавов для определения Тпп этих сплавов с точностью, не уступающей методу пробных закалок, и построения ТКД распада 0-твердого раствора полученного при нагреве в двухфазной области в интервале 880...960 °С, для жаропрочного сплава ВТ8М.
2. Режим термической обработки высокопрочного титанового сплава У8Т5553, обеспечивающий повышение показателей энергоёмкости разрушения и пластических свойств.
3. Методика проведения рентгеноструктурного фазового анализа и обработки экспериментальных данных, обеспечивающая выделение на дифрактограммах жаропрочного сплава типа ВТ18У линий фаз с ГПУ- решеткой (а, а', а2), не разделяемые в обычных условиях проведения РСФА.
4. Данные по химическому составу фаз (первичной и вторичной а-фаз, а2, 0) образующихся в сплаве ВТ18У при длительной изотермической выдержке .
Апробация работы. Материалы диссертации были доложены и обсуждены международной конференции «Т1-2010 в СНГ», Екатеринбург, 2010; XX и XXI Уральской школе металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического материаловедения сталей и сплавов», Пермь, 2010; Магнитогорск, 2012; на всероссийский молодежной школе-конференции «Современные проблемы металловедения», Пицунда, 2009; У-ой российский научно-технической конференции «Физические свойства металлов и сплавов», Екатеринбург, 2009; на I и II международной научной школе для молодежи «Материаловедение и металлофизика легких сплавов», Екатеринбург, 2010, 2012, а также X.XIII международных научно-технических Уральских школах-семинарах молодых ученых-металловедов, Екатеринбург, 2009.2012.
Публикации. По материалам исследования опубликовано 22 печатные работы, из них 2 в издании, рекомендованном ВАК РФ. Список 11-ти работ, отражающих основное содержание диссертации, представлен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов по работе, списка литературы; изложена на 171 странице, включает 86 рисунков, 14 таблиц, список литературы содержит 127 наименований.
Работа выполнена при научной и методической консультации профессора, к.т.н. Демакова С.Л.
Одним из важнейших параметров, который постоянно учитывается при назначении температурно-временных параметров обработки сплавов титана является температура полиморфного (а+Р)- Р - превращения (Тип) при которой сплав переходит полностью в однофазное Р - состояние. В настоящее время Тпп определяется, главным образом, металлографически - методом «пробных закалок». Данный метод обладает рядом недостатков: трудоемкость, низкая производительность, в ряде случаев субъективность и т.п. и необходим поиск альтернативных методов. Также, при производстве полуфабрикатов и изделий из двухфазных титановых сплавов, при выборе режимов их термической обработки и научно-обоснованного прогнозирования в зависимости от скорости охлаждения полуфабрикатов структуры и структурных градиентов по сечению и, следовательно, свойств важную роль играет определение температурных интервалов протекания процессов распада переохлажденного Р-твердого раствора при построении термокинетических диаграмм (ТКД) , особенно при охлаждении сплавов с низкой стабильностью Р-фазы, в частности, жаропрочных (а+Р)- мартенситного класса типа ВТ8М. Однако большинство существующих ТКД распада Р-твердого раствора двухфазных титановых сплавов либо построены для температур охлаждения из однофазной р - области, хотя режимы окончательной обработки обычно включают обработку в (а+Р)-области, либо характеризуются низкой детализацией структурных превращений.
Существует широкий круг физических методов анализа (дилатометрический, термический и другие), позволяющих фиксировать температурные интервалы фазовых превращений и получать информацию о значении критических точек в металлах и сплавах. Однако общедоступные прикладные методические рекомендации по проведению подобных экспериментов для титановых сплавов практически не встречаются. Кроме того применение дилатометрического метода для анализа фазовых превращений в титановых сплавах ограничено из-за незначительного объемного эффекта при а-0-превращении, поэтому перспективным видится применение метода дифференциального термического анализа (ДТА) и дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК), которые являются известными и достаточно распространенными исследовательскими методами, обладающими высокой чувствительностью к протеканию фазовых превращений, в том числе (а+Р)^Р-превращения в сплавах титана.
Еще одним важным фактором, определяющим формирующийся комплекс свойств, является установление наличия малого количества особо дисперсных частиц или негомогенности твердых растворов, формирующихся в ходе термического воздействия. Особо важную роль данный фактор играет в жаропрочных сплавах титана типа ВТ18У, а также в крупногабаритных полуфабрикатах из высокопрочных титановых сплавов (а+Р)-переходного класса типа У8Т5553. В частности, в сплаве ВТ18У при определенных режимах обработки, возможно формирование очень дисперсной интерметаллидной а2-фазы, катастрофически ухудшающей пластические характеристики материала, а в сплаве У8Т5553, вследствие совокупности низкой теплопроводности и диффузионной подвижности легирующих элементов, может наблюдаться формирование неоднородных структуры и твердых растворов при термической обработке, приводящей к понижению свойств, особенно вязкости и пластичности.
В последние годы заметно выросли аппаратные характеристики исследовательских приборов рентгеноструктурного анализа. В совокупности с постоянным развитием алгоритмического аппарата и ростом быстродействия вычислительной техники, это позволяет заметно повысить производительность и чувствительность рентгеноструктурных методов анализа по отношению к выявлению малых объемных долей фаз и негомогенности твердых растворов. Однако применительно к анализу выделения а2-фазы в жаропрочных псевдо-а-сплавах и определению однородности матричного твердого раствора в высокопрочных (а+Р)-
сплавах переходного класса титана эти методики широко не используются.
Исходя из этого, проведение исследований по разработке и использованию методик термического и структурного анализа для определения Тпп, построения ТКД, наличия выделений интерметаллидных фаз, уровня гомогенности твердых растворов позволит снизить трудоемкость и повысить производительность как научных, так и прикладных исследований для научно-обоснованного выбора режимов обработки изделий из титановых сплавов, что является актуальной задачей.
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 государственного задания на выполнение научно-исследовательских работ Минобрнауки РФ (регистрационный номер 3.829.2011); 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 (госконтракт № 02.740.11.0160), гранта РФФИ №10-03-96073-р_урал.
Цель работы- отработка и адаптация перспективных методик термического и рентгеноструктурного анализа двухфазных титановых сплавов для изучения фазовых и структурных превращений, реализуемых в условиях различных видов термического воздействия (непрерывные нагрев и охлаждение, изотермическая обработка).
В работе были поставлены и решены следующие задачи:
1. Разработать методику определения температуры полиморфного превращения в титановых сплавах разных классов методом дифференциальной сканирующей калориметрии.
2. Отработать методику построения термокинетических диаграмм распада 0- твердого раствора на основе данных дифференциальной сканирующей калориметрии на примере сплава ВТ8М.
3. Адаптировать методику полнопрофильного рентгеноструктурного анализа для определения характерных особенностей фазового состояния в жаропрочных сплавах типа ВТ18У после различных видов термической обработки.
4. Используя различные методы структурного анализа, проанализировать формирование структуры, фазового состава и свойств в сплаве У8Т5553 при термической обработке.
Научная новизна.
1. Дана интерпретация термических эффектов на термограммах титановых сплавах различных классов, исходя из анализа стадийности протекания фазовых и структурных превращений при непрерывном нагреве и охлаждении.
2. Построены термокинетические диаграммы распада 0 -твердого раствора, полученного при нагреве в двухфазной области в интервале 880...960 °С, для жаропрочного сплава ВТ8М и определены температурно-временные диапазоны выделения а- фазы различной морфологии, позволяющие научно-обоснованно осуществлять выбор режимов термического воздействия .
3. Методом аналитической электронной микроскопии получены новые данные по химическому составу фаз (первичной и вторичной а-фаз, а2- 0) образующихся в сплаве ВТ18У при длительной изотермической выдержке.
Практическая значимость.
1. Разработана методика проведения термического анализа титановых сплавов, установлены конкретные температурно-временные параметры обработки различных сплавов, позволяющие определять температуру полиморфного превращения этих сплавов с точностью, не уступающей методу пробных закалок.
2. Предложена методика съемки и обработки данных рентгеноструктурного фазового анализа (РСФА), обеспечивающая выделение на дифрактограммах жаропрочного сплава типа ВТ18У линий фаз с ГПУ-решеткой (а, а', а2), не разделяемые в обычных условиях проведения РСФА.
3. Предложен режим термической обработки высокопрочного титанового сплава У8Т5553, обеспечивающий повышение показателей энергоёмкости разрушения и пластических свойств.
На защиту выносятся следующие основные положения и результаты.
1. Методика проведения термического анализа титановых сплавов для определения Тпп этих сплавов с точностью, не уступающей методу пробных закалок, и построения ТКД распада 0-твердого раствора полученного при нагреве в двухфазной области в интервале 880...960 °С, для жаропрочного сплава ВТ8М.
2. Режим термической обработки высокопрочного титанового сплава У8Т5553, обеспечивающий повышение показателей энергоёмкости разрушения и пластических свойств.
3. Методика проведения рентгеноструктурного фазового анализа и обработки экспериментальных данных, обеспечивающая выделение на дифрактограммах жаропрочного сплава типа ВТ18У линий фаз с ГПУ- решеткой (а, а', а2), не разделяемые в обычных условиях проведения РСФА.
4. Данные по химическому составу фаз (первичной и вторичной а-фаз, а2, 0) образующихся в сплаве ВТ18У при длительной изотермической выдержке .
Апробация работы. Материалы диссертации были доложены и обсуждены международной конференции «Т1-2010 в СНГ», Екатеринбург, 2010; XX и XXI Уральской школе металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического материаловедения сталей и сплавов», Пермь, 2010; Магнитогорск, 2012; на всероссийский молодежной школе-конференции «Современные проблемы металловедения», Пицунда, 2009; У-ой российский научно-технической конференции «Физические свойства металлов и сплавов», Екатеринбург, 2009; на I и II международной научной школе для молодежи «Материаловедение и металлофизика легких сплавов», Екатеринбург, 2010, 2012, а также X.XIII международных научно-технических Уральских школах-семинарах молодых ученых-металловедов, Екатеринбург, 2009.2012.
Публикации. По материалам исследования опубликовано 22 печатные работы, из них 2 в издании, рекомендованном ВАК РФ. Список 11-ти работ, отражающих основное содержание диссертации, представлен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов по работе, списка литературы; изложена на 171 странице, включает 86 рисунков, 14 таблиц, список литературы содержит 127 наименований.
Работа выполнена при научной и методической консультации профессора, к.т.н. Демакова С.Л.
1. Проанализировано влияние различных факторов (скорость нагрева/охлаждения, особенности морфологии a-фазы, легированность 0- твердого раствора) на протекание полиморфного (а+0)^0-превращения в титановых сплавах при непрерывном нагреве и охлаждении. Предложен подход и методика определения температуры окончания полиморфного (а+0)^0-превращения для двухфазных сплавов титана различных классов методами термического анализа.
2. Методами структурного и термического анализа исследованы особенности формирования фазового состава и структуры, а также кинетика диффузионного распада переохлажденного 0-твердого раствора в процессе непрерывного охлаждения сплава ВТ8М. Отработана методика и построения термокинетических диаграмм распада метастабильного 0-твердого раствора методом ДСК; уточнены стадийность, а также температурные интервалы протекания структурных превращений при непрерывном охлаждении с различных температур нагрева в (а+Р)-области.
3. С использованием высокочувствительных методов РСФА в сплаве ВТ18У, закаленном в диапазоне температур (Тпп-100_Тпп+20), обнаружено и методом ПЭМ подтверждено присутствие областей упорядоченной а2-фазы. Выдержка закаленного сплава при температурах в интервале 550...700 °С приводит к перераспределению легирующих элементов между первичной a- и упорядоченной а2-фазой. Методами аналитической электронной микроскопии в сплаве ВТ18У обнаружена тенденция преимущественного перехода атомов циркония в объем силицидных и интерметаллидных-а2 частиц, в то время как олово диффундирует главным образом в объем 0- твердого раствора и силицидных выделений.
4. Методами РСФА, световой и растровой электронной микроскопии исследована структура сплава VST5553 после обработки по промышленному режиму BASCA. Показано, что при использовании схемы обработки BASCA в структуре сохраняются области 0-твердого раствора, свободные от продуктов диффузионного распада по которым происходит преимущественное распространение трещины при деформационных воздействиях, что приводит к снижению показателей пластичности и вязкости. Предложен модифицированный режим термической обработки, включающий промежуточную обработку после высокотемпературной ступени в виде повторного нагрева в диапазон температур 750.790 °С и последующее старение при пониженных температурах 550.600 °С и позволяющий повысить сопротивление сплава VST5553 зарождению и развитию трещины за счет более полного протекания процессов диффузионного распада ß-твердого раствора.
2. Методами структурного и термического анализа исследованы особенности формирования фазового состава и структуры, а также кинетика диффузионного распада переохлажденного 0-твердого раствора в процессе непрерывного охлаждения сплава ВТ8М. Отработана методика и построения термокинетических диаграмм распада метастабильного 0-твердого раствора методом ДСК; уточнены стадийность, а также температурные интервалы протекания структурных превращений при непрерывном охлаждении с различных температур нагрева в (а+Р)-области.
3. С использованием высокочувствительных методов РСФА в сплаве ВТ18У, закаленном в диапазоне температур (Тпп-100_Тпп+20), обнаружено и методом ПЭМ подтверждено присутствие областей упорядоченной а2-фазы. Выдержка закаленного сплава при температурах в интервале 550...700 °С приводит к перераспределению легирующих элементов между первичной a- и упорядоченной а2-фазой. Методами аналитической электронной микроскопии в сплаве ВТ18У обнаружена тенденция преимущественного перехода атомов циркония в объем силицидных и интерметаллидных-а2 частиц, в то время как олово диффундирует главным образом в объем 0- твердого раствора и силицидных выделений.
4. Методами РСФА, световой и растровой электронной микроскопии исследована структура сплава VST5553 после обработки по промышленному режиму BASCA. Показано, что при использовании схемы обработки BASCA в структуре сохраняются области 0-твердого раствора, свободные от продуктов диффузионного распада по которым происходит преимущественное распространение трещины при деформационных воздействиях, что приводит к снижению показателей пластичности и вязкости. Предложен модифицированный режим термической обработки, включающий промежуточную обработку после высокотемпературной ступени в виде повторного нагрева в диапазон температур 750.790 °С и последующее старение при пониженных температурах 550.600 °С и позволяющий повысить сопротивление сплава VST5553 зарождению и развитию трещины за счет более полного протекания процессов диффузионного распада ß-твердого раствора.