ВЛИЯНИЕ СОДЕРЖАНИЯ УГЛЕРОДА В ТИТАНОВОМ СПЛАВЕ Т1-10У-2Ее-3А1 НА СТРУКТУРНО-ФАЗОВОЕ СОСТОЯНИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА, ФОРМИРУЕМЫЕ ПРИ ТЕРМИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ
|
Актуальность темы исследования
Титановые сплавы благодаря сочетанию высокой удельной прочности, хорошей жаропрочности, коррозионной стойкости биосовместимости нашли применение в авиа- и двигателестроении, химической промышленности, медицине и индустриальном секторе. Первыми высокопрочными сплавами титана на основе в - твёрдого раствора, которые стали использовать в 70-х годах XX века для изготовления крупногабаритных штамповок шасси самолетов были (а + в) - сплавы переходного класса ВТ22 и П-10У-2Ре-3А1. Титановые сплавы данной группы имеют самое большое многообразие возможных структурных состояний из всех титановых сплавов, которые можно получить, варьируя маршрут деформации и режим термической обработки. Конкретные параметры термической обработки, а именно температура, выдержка, скорость нагрева и охлаждения оказывают существенное влияние на структурно-фазовые превращения, которые происходят в этих сплавах, поэтому глубокое понимание технологического процесса производства необходимо для успешного получения полуфабрикатов с заданными свойствами. Сплавы данной группы так же очень чувствительны к вариации химического состава в пределах марки сплава.
В последние десятилетия активно развивается направление компьютерного моделирования структурно-фазовых превращений в сплавах, целью которого является создание программы, способной смоделировать изменение структурно - фазового состояния сплава по всей цепочке технологического процесса и предсказать окончательные механические свойства. Для этого требуется понимание фундаментальных основ реализации структурно -фазовых превращений и их взаимосвязи с технологическими параметрами. Помимо этого, необходимы точные данные о параметрах структуры, то есть размерах структурных составляющих, их химическом составе, кристаллическом строении и др. В то же время рынок и все производители заинтересованы в снижении стоимости получения сплавов, повышении коэффициента использования шихтовых материалов. Одним из путей снижения себестоимости производства металлов и сплавов является увеличение вовлечения отходов в переплав, что неминуемо повышает содержание в сплавах примесных элементов (кислорода, углерода, азота). Однако для того, чтобы использовать такой эффект, необходимо иметь глубокое понимание эволюции микроструктуры и свойств в зависимости от содержания примесей. Поэтому работы по изучению влияния содержания примесей, в частности углерода, направленные на углубление понимания взаимосвязей между химическим составом, режимами термической обработки, структурой и комплексом механических свойств высокопрочных титановых сплавов типа Т1-10У-2Ре-3А1, являются актуальными и востребованными.
Степень разработанности темы исследования
В научной литературе по вопросу исследования взаимосвязи химического состава, режимов термообработки со структурой и свойствами сплавов титана на основе в - фазы имеется большое количество публикаций. На основании результатов этих исследований для сплавов параметризированы характерные типы структур, определены геометрические размеры структурных составляющих и соотношение объёмной доли фаз в структуре после базовых маршрутов изготовления, установлены закономерности влияния на них параметров термической обработки и деформации. В то же время менее изученным является изменение химического состава структурных составляющих в процессе фазовых превращений. Благодаря развитию и распространению таких методов исследования как атомно -силовая томография и микрорентгеноспектральный анализ на базе просвечивающего электронного микроскопа растет количество работ касательно исследования химического состава структурных составляющих в нано масштабе. Однако доступность таких методов остается ограниченной для широкого круга исследователей и производителей. Поэтому развитие других методов, таких как, полнопрофильный рентгеноструктурный фазовый анализ, который так же позволяет оценить параметры структуры, является актуальным, но мало освещённым направлением работ с немногочисленными опубликованными исследованиями.
Разработанность темы исследования в области влияния содержания легких элементов (кислород, углерод, азот) на структуру и свойства титановых сплавов можно охарактеризовать высокой. В то же время влияние содержания углерода вблизи максимальной растворимости в твердом растворе на структуру и свойства сплавов титана на основе в - фазы является мало освещённой областью исследований, в литературе есть неполные данные только для нескольких сплавов (Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr, Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al, Beta-C). Суммарное содержание легких элементов (кислород, углерод, азот) в данных сплавах в пределах марки не превышает нескольких десятых весовых процентов, но их влияние в указанном диапазоне может быть существенным. Известно, что растворимость углерода в титановых сплавах зависит от химического и фазового состава сплава. Например, предел растворимости углерода в самом массовом титановом сплаве Ti-6Al-4V порядка 0,35 масс. %, в сплавах, легированных значительным количеством в - стабилизаторов, предел растворимости существенно меньше, в частности, в сплаве Ti-15Mo - 0,006 масс. %, в сплаве П-16№ - 0,023 масс. %. Когда концентрация углерода в кристаллической решетке превышает предел растворимости в твердом растворе, то он образует с титаном карбид типа TiC с высокой температурой плавления (3140 °С) и более высоким модулем упругости (440 ГПа), чем у конструкционных титановых сплавов (около 100 ГПа). Работ, освещающих влияние именно углерода на структуру и механические свойства сплава П-10У-2Ре-3А1, в литературе не обнаружено, а получение новых знаний в этой области является актуальным как с научной, так и с практической точек зрения.
Целью настоящей работы являлось установление влияния содержания углерода на структурно-фазовое состояние и механические свойства титанового сплава П-10У-2Ре-3А1, подвергнутого различным видам термического воздействия.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
1. Изучить влияние различного содержания углерода (0,008, 0,034,
0,063 масс. %) на структуру и механические свойства сплава П-10У-2Ре-3А1. Определить предел растворимости углерода в сплаве и влияние его содержания на формирование структуры вблизи Тпп и поведение сплава при испытаниях на растяжение;
2. Используя методику полнопрофильного рентгеноструктурного анализа рассмотреть характерные особенности структурно-фазовых превращений в закаленном титановом сплаве Т1-10У-2Ре-3А1 при непрерывном нагреве и старении. Изучить формирование структуры и перераспределение легирующих элементов между фазами в зависимости от продолжительности старения;
3. Оценить вклад различных механизмов в упрочнение при старении закаленного сплава Т1-10У-2Ре-3А1.
Научная новизна
1. Термодинамическим расчетом определено, что предел максимальной растворимости углерода в в - твердом растворе сплаве Т-10У-2Ре-3А1 составляет 0,053 масс. %. При повышении содержания углерода в сплаве до предела его максимальной растворимости наблюдается рост прочности состаренного сплава за счёт увеличения дисперсности пластин вторичной аВ - фазы. В структуре сплава с содержанием углерода выше рассчитанного предела растворимости (0,063 масс. %) обнаружены частицы карбида титана по морфологии схожие с глобулярными частицами первичной аП - фазы, при этом дисперсность, выделяющейся при старении, вторичной аВ - фазы, уменьшается, что приводит к снижению прочности в сравнении со сплавом, содержащим 0,034 масс. % углерода. При испытаниях на растяжение образцов сплава с 0,063 масс. % углерода частицы карбида титана на этапе локализации деформации с образованием шейки служат местами зарождения микропор, которые, однако, не оказывают значимого влияния на пластичность и прочность сплава ввиду их малой объёмной доли.
2. Выявлено, что повышение содержания углерода в метастабильном в - твердом растворе сплава и снижение скорости нагрева до температуры старения приводит к понижению температурного интервала выделения вторых аВ (а”) - фаз, увеличению её дисперсности за счет формирования в твердом
6 растворе комплексов «углерод-кислород-вакансия» и росту прочностных свойств.
3. Показано, что с увеличением длительности старения закаленного сплава П-10У-2Ре-3А1 наблюдается рост объёма элементарной ячейки вторичной аВ - фазы за счет перераспределения легирующих элементов (алюминия, ванадия, железа) между в -, аП -, аВ - фазами. Наличие перераспределения легирующих элементов в ходе старения подтверждается расчетами, основанными на аддитивном влиянии легирующих элементов на периоды кристаллической решетки образующихся фаз.
4. Реализован новый подход к оценке вклада различных механизмов (дисперсионного и твердорастворного) в упрочнение при старении закаленного сплава Т-10У-2Ре-3А1 на основе комплексного анализа изменения твердости, параметров структуры и кристаллических решеток фиксируемых фаз.
Теоретическая и практическая значимость работы
Теоретическая значимость полученных в представленном исследовании результатов заключается в расширении знаний о влиянии углерода в диапазоне 0,008 + 0,063 масс. % и параметров упрочняющей термической обработки на эволюцию структурно-фазового состояния сплава П-10У-2Ре-3А1. Выявленные в работе закономерности, характеризующие влияние термической обработки и содержания углерода на изменение зеренной структуры, комплекс механических свойств, демонстрируют новые возможности для оптимизации химического состава и режимов термической обработки. Установленные закономерности были подтверждены при изготовлении трех плавок прутков из сплава Т-10У-2Ре-3А1 в промышленных условиях на предприятии ПАО «Корпорация ВСМПО- АВИСМА».
Использование методики полнопрофильного анализа рентгеновского спектра на дифрактограммах позволило оценить фазовый состав, дисперсность вторых аВ (а”) - фаз, эволюцию параметров кристаллической решетки фаз в процессе термического воздействия в высокопрочных сплавах титана и применить ее в исследовательских работах в ПАО «Корпорация ВСМПО- АВИСМА», что представляет определенную практическую ценность.
Методология и методы диссертационного исследования
Методологической основой исследования послужили работы ведущих зарубежных и российских учёных в области высокопрочных титановых сплавов, отраслевые стандарты РФ и спецификации зарубежных компаний. Для достижения поставленной цели в диссертационной работе были использованы следующие методы исследования и расчета: оптическая и растровая электронная микроскопия, рентгеноструктурный фазовый анализ, дифференциально-сканирующая калориметрия, программы для термодинамического расчета фазовый равновесий,
7 измерение твердости по Виккерсу, испытание на растяжение, инструментальные методы определения химического состава.
Положения, выносимые на защиту
1. Взаимосвязь формирования структуры и содержания углерода в сплаве Ti-10V-2Fe-3Al;
2. Сравнительные результаты экспериментальных исследований поведения сплава Ti-10V-2Fe-3Al с содержанием углерода от 0,008 до 0,063 масс. % в ходе механических испытаний;
3. Закономерности изменения в закаленном сплаве Ti-10V-2Fe-3Al фиксируемых при старении параметров кристаллических решеток фаз и их взаимосвязь с влиянием легирующих элементов на периоды кристаллической решетки фаз;
4. Результаты экспериментальных исследований и расчетов по определению вклада дисперсионного и твердорастворного механизмов в упрочнение сплава Ti-10V-2Fe-3Al при старении.
Степень достоверности результатов исследований и обоснованность выносимых на защиту положений и выводов обеспечиваются использованием комплекса аттестованных, взаимно дополняющих друг друга методов исследования, статистической обработкой полученных результатов и их соответствием данным других авторов там, где они имеются.
Апробация результатов работы
Материалы диссертации докладывались автором на следующих конференциях: International Conference on Industrial Engineering ICIE, г. Санкт-Петербург 16-19 мая, 2017; XVI Международная конференция «Ti-2018 в СНГ», г. Минск, 2018 г.; XVII Международная конференция «Ti-2019 в СНГ», г. Сочи, 2019 г.; XVIII Международная научно-техническая Уральская школа-семинар металловедов - молодых ученых, г. Екатеринбург, 2017, 2018, 2019, 2020 г.; Международная конференция "Кристаллофизика и деформационное поведение перспективных материалов, г. Москва, 2019 г., XVIII Международная конференция «Ti-2021 в СНГ», г. Калининград, 2021 г, XXVI Уральская школа металловедов-термистов, г. Екатеринбург, 7-11 февраля 2022 г.
Публикации
Материалы диссертации представлены в работах, опубликованных соискателем. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, из них 7 статей в рецензируемых научных журналах, определенных ВАК РФ и Аттестационным советом УрФУ, индексируемых в базах данных Scopus и WoS, а также 3 статьи в сборниках трудов российских и международных конференций.
Личный вклад
Представленные в диссертации результаты получены автором самостоятельно или совместно с соавторами опубликованных работ. Автор принимал непосредственное участие в проведении экспериментов, расчетов, а также анализе полученных результатов и формулировке выводов. Обсуждение и анализ полученных результатов проводилась совместно с научным руководителем и соавторами публикаций.
Структура и объём диссертации
Диссертация изложена на 146 страницах, содержит 10 таблиц, 76 рисунков, 22 формулы. Работа состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка литературы из 108 наименований.
Титановые сплавы благодаря сочетанию высокой удельной прочности, хорошей жаропрочности, коррозионной стойкости биосовместимости нашли применение в авиа- и двигателестроении, химической промышленности, медицине и индустриальном секторе. Первыми высокопрочными сплавами титана на основе в - твёрдого раствора, которые стали использовать в 70-х годах XX века для изготовления крупногабаритных штамповок шасси самолетов были (а + в) - сплавы переходного класса ВТ22 и П-10У-2Ре-3А1. Титановые сплавы данной группы имеют самое большое многообразие возможных структурных состояний из всех титановых сплавов, которые можно получить, варьируя маршрут деформации и режим термической обработки. Конкретные параметры термической обработки, а именно температура, выдержка, скорость нагрева и охлаждения оказывают существенное влияние на структурно-фазовые превращения, которые происходят в этих сплавах, поэтому глубокое понимание технологического процесса производства необходимо для успешного получения полуфабрикатов с заданными свойствами. Сплавы данной группы так же очень чувствительны к вариации химического состава в пределах марки сплава.
В последние десятилетия активно развивается направление компьютерного моделирования структурно-фазовых превращений в сплавах, целью которого является создание программы, способной смоделировать изменение структурно - фазового состояния сплава по всей цепочке технологического процесса и предсказать окончательные механические свойства. Для этого требуется понимание фундаментальных основ реализации структурно -фазовых превращений и их взаимосвязи с технологическими параметрами. Помимо этого, необходимы точные данные о параметрах структуры, то есть размерах структурных составляющих, их химическом составе, кристаллическом строении и др. В то же время рынок и все производители заинтересованы в снижении стоимости получения сплавов, повышении коэффициента использования шихтовых материалов. Одним из путей снижения себестоимости производства металлов и сплавов является увеличение вовлечения отходов в переплав, что неминуемо повышает содержание в сплавах примесных элементов (кислорода, углерода, азота). Однако для того, чтобы использовать такой эффект, необходимо иметь глубокое понимание эволюции микроструктуры и свойств в зависимости от содержания примесей. Поэтому работы по изучению влияния содержания примесей, в частности углерода, направленные на углубление понимания взаимосвязей между химическим составом, режимами термической обработки, структурой и комплексом механических свойств высокопрочных титановых сплавов типа Т1-10У-2Ре-3А1, являются актуальными и востребованными.
Степень разработанности темы исследования
В научной литературе по вопросу исследования взаимосвязи химического состава, режимов термообработки со структурой и свойствами сплавов титана на основе в - фазы имеется большое количество публикаций. На основании результатов этих исследований для сплавов параметризированы характерные типы структур, определены геометрические размеры структурных составляющих и соотношение объёмной доли фаз в структуре после базовых маршрутов изготовления, установлены закономерности влияния на них параметров термической обработки и деформации. В то же время менее изученным является изменение химического состава структурных составляющих в процессе фазовых превращений. Благодаря развитию и распространению таких методов исследования как атомно -силовая томография и микрорентгеноспектральный анализ на базе просвечивающего электронного микроскопа растет количество работ касательно исследования химического состава структурных составляющих в нано масштабе. Однако доступность таких методов остается ограниченной для широкого круга исследователей и производителей. Поэтому развитие других методов, таких как, полнопрофильный рентгеноструктурный фазовый анализ, который так же позволяет оценить параметры структуры, является актуальным, но мало освещённым направлением работ с немногочисленными опубликованными исследованиями.
Разработанность темы исследования в области влияния содержания легких элементов (кислород, углерод, азот) на структуру и свойства титановых сплавов можно охарактеризовать высокой. В то же время влияние содержания углерода вблизи максимальной растворимости в твердом растворе на структуру и свойства сплавов титана на основе в - фазы является мало освещённой областью исследований, в литературе есть неполные данные только для нескольких сплавов (Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr, Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al, Beta-C). Суммарное содержание легких элементов (кислород, углерод, азот) в данных сплавах в пределах марки не превышает нескольких десятых весовых процентов, но их влияние в указанном диапазоне может быть существенным. Известно, что растворимость углерода в титановых сплавах зависит от химического и фазового состава сплава. Например, предел растворимости углерода в самом массовом титановом сплаве Ti-6Al-4V порядка 0,35 масс. %, в сплавах, легированных значительным количеством в - стабилизаторов, предел растворимости существенно меньше, в частности, в сплаве Ti-15Mo - 0,006 масс. %, в сплаве П-16№ - 0,023 масс. %. Когда концентрация углерода в кристаллической решетке превышает предел растворимости в твердом растворе, то он образует с титаном карбид типа TiC с высокой температурой плавления (3140 °С) и более высоким модулем упругости (440 ГПа), чем у конструкционных титановых сплавов (около 100 ГПа). Работ, освещающих влияние именно углерода на структуру и механические свойства сплава П-10У-2Ре-3А1, в литературе не обнаружено, а получение новых знаний в этой области является актуальным как с научной, так и с практической точек зрения.
Целью настоящей работы являлось установление влияния содержания углерода на структурно-фазовое состояние и механические свойства титанового сплава П-10У-2Ре-3А1, подвергнутого различным видам термического воздействия.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
1. Изучить влияние различного содержания углерода (0,008, 0,034,
0,063 масс. %) на структуру и механические свойства сплава П-10У-2Ре-3А1. Определить предел растворимости углерода в сплаве и влияние его содержания на формирование структуры вблизи Тпп и поведение сплава при испытаниях на растяжение;
2. Используя методику полнопрофильного рентгеноструктурного анализа рассмотреть характерные особенности структурно-фазовых превращений в закаленном титановом сплаве Т1-10У-2Ре-3А1 при непрерывном нагреве и старении. Изучить формирование структуры и перераспределение легирующих элементов между фазами в зависимости от продолжительности старения;
3. Оценить вклад различных механизмов в упрочнение при старении закаленного сплава Т1-10У-2Ре-3А1.
Научная новизна
1. Термодинамическим расчетом определено, что предел максимальной растворимости углерода в в - твердом растворе сплаве Т-10У-2Ре-3А1 составляет 0,053 масс. %. При повышении содержания углерода в сплаве до предела его максимальной растворимости наблюдается рост прочности состаренного сплава за счёт увеличения дисперсности пластин вторичной аВ - фазы. В структуре сплава с содержанием углерода выше рассчитанного предела растворимости (0,063 масс. %) обнаружены частицы карбида титана по морфологии схожие с глобулярными частицами первичной аП - фазы, при этом дисперсность, выделяющейся при старении, вторичной аВ - фазы, уменьшается, что приводит к снижению прочности в сравнении со сплавом, содержащим 0,034 масс. % углерода. При испытаниях на растяжение образцов сплава с 0,063 масс. % углерода частицы карбида титана на этапе локализации деформации с образованием шейки служат местами зарождения микропор, которые, однако, не оказывают значимого влияния на пластичность и прочность сплава ввиду их малой объёмной доли.
2. Выявлено, что повышение содержания углерода в метастабильном в - твердом растворе сплава и снижение скорости нагрева до температуры старения приводит к понижению температурного интервала выделения вторых аВ (а”) - фаз, увеличению её дисперсности за счет формирования в твердом
6 растворе комплексов «углерод-кислород-вакансия» и росту прочностных свойств.
3. Показано, что с увеличением длительности старения закаленного сплава П-10У-2Ре-3А1 наблюдается рост объёма элементарной ячейки вторичной аВ - фазы за счет перераспределения легирующих элементов (алюминия, ванадия, железа) между в -, аП -, аВ - фазами. Наличие перераспределения легирующих элементов в ходе старения подтверждается расчетами, основанными на аддитивном влиянии легирующих элементов на периоды кристаллической решетки образующихся фаз.
4. Реализован новый подход к оценке вклада различных механизмов (дисперсионного и твердорастворного) в упрочнение при старении закаленного сплава Т-10У-2Ре-3А1 на основе комплексного анализа изменения твердости, параметров структуры и кристаллических решеток фиксируемых фаз.
Теоретическая и практическая значимость работы
Теоретическая значимость полученных в представленном исследовании результатов заключается в расширении знаний о влиянии углерода в диапазоне 0,008 + 0,063 масс. % и параметров упрочняющей термической обработки на эволюцию структурно-фазового состояния сплава П-10У-2Ре-3А1. Выявленные в работе закономерности, характеризующие влияние термической обработки и содержания углерода на изменение зеренной структуры, комплекс механических свойств, демонстрируют новые возможности для оптимизации химического состава и режимов термической обработки. Установленные закономерности были подтверждены при изготовлении трех плавок прутков из сплава Т-10У-2Ре-3А1 в промышленных условиях на предприятии ПАО «Корпорация ВСМПО- АВИСМА».
Использование методики полнопрофильного анализа рентгеновского спектра на дифрактограммах позволило оценить фазовый состав, дисперсность вторых аВ (а”) - фаз, эволюцию параметров кристаллической решетки фаз в процессе термического воздействия в высокопрочных сплавах титана и применить ее в исследовательских работах в ПАО «Корпорация ВСМПО- АВИСМА», что представляет определенную практическую ценность.
Методология и методы диссертационного исследования
Методологической основой исследования послужили работы ведущих зарубежных и российских учёных в области высокопрочных титановых сплавов, отраслевые стандарты РФ и спецификации зарубежных компаний. Для достижения поставленной цели в диссертационной работе были использованы следующие методы исследования и расчета: оптическая и растровая электронная микроскопия, рентгеноструктурный фазовый анализ, дифференциально-сканирующая калориметрия, программы для термодинамического расчета фазовый равновесий,
7 измерение твердости по Виккерсу, испытание на растяжение, инструментальные методы определения химического состава.
Положения, выносимые на защиту
1. Взаимосвязь формирования структуры и содержания углерода в сплаве Ti-10V-2Fe-3Al;
2. Сравнительные результаты экспериментальных исследований поведения сплава Ti-10V-2Fe-3Al с содержанием углерода от 0,008 до 0,063 масс. % в ходе механических испытаний;
3. Закономерности изменения в закаленном сплаве Ti-10V-2Fe-3Al фиксируемых при старении параметров кристаллических решеток фаз и их взаимосвязь с влиянием легирующих элементов на периоды кристаллической решетки фаз;
4. Результаты экспериментальных исследований и расчетов по определению вклада дисперсионного и твердорастворного механизмов в упрочнение сплава Ti-10V-2Fe-3Al при старении.
Степень достоверности результатов исследований и обоснованность выносимых на защиту положений и выводов обеспечиваются использованием комплекса аттестованных, взаимно дополняющих друг друга методов исследования, статистической обработкой полученных результатов и их соответствием данным других авторов там, где они имеются.
Апробация результатов работы
Материалы диссертации докладывались автором на следующих конференциях: International Conference on Industrial Engineering ICIE, г. Санкт-Петербург 16-19 мая, 2017; XVI Международная конференция «Ti-2018 в СНГ», г. Минск, 2018 г.; XVII Международная конференция «Ti-2019 в СНГ», г. Сочи, 2019 г.; XVIII Международная научно-техническая Уральская школа-семинар металловедов - молодых ученых, г. Екатеринбург, 2017, 2018, 2019, 2020 г.; Международная конференция "Кристаллофизика и деформационное поведение перспективных материалов, г. Москва, 2019 г., XVIII Международная конференция «Ti-2021 в СНГ», г. Калининград, 2021 г, XXVI Уральская школа металловедов-термистов, г. Екатеринбург, 7-11 февраля 2022 г.
Публикации
Материалы диссертации представлены в работах, опубликованных соискателем. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, из них 7 статей в рецензируемых научных журналах, определенных ВАК РФ и Аттестационным советом УрФУ, индексируемых в базах данных Scopus и WoS, а также 3 статьи в сборниках трудов российских и международных конференций.
Личный вклад
Представленные в диссертации результаты получены автором самостоятельно или совместно с соавторами опубликованных работ. Автор принимал непосредственное участие в проведении экспериментов, расчетов, а также анализе полученных результатов и формулировке выводов. Обсуждение и анализ полученных результатов проводилась совместно с научным руководителем и соавторами публикаций.
Структура и объём диссертации
Диссертация изложена на 146 страницах, содержит 10 таблиц, 76 рисунков, 22 формулы. Работа состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка литературы из 108 наименований.
1. Термодинамическим расчетом определено, что предел максимальной растворимости углерода в в - твердом растворе сплава Т-10У-2Ре-3А1 составляет 0,053 масс. %. Экспериментом подтверждено, что превышение содержания углерода в сплаве выше этого предела приводит к образованию в структуре карбида титана.
2. Показано, что при повышении содержания углерода в сплаве П-10У-2Ре-3А1 с 0,008 до 0,034 масс. %, то есть в пределах растворимости в в - твердом растворе, наблюдается рост прочности закаленного сплава при старении за счет повышения дисперсности вторичной аВ - фазы. В структуре закаленного сплава с содержанием 0,063 масс. % углерода (выше предела растворимости) обнаружены частицы карбида титана, при этом дисперсность вторичной аВ - фазы при старении уменьшается, что приводит к снижению прочности сплава в сравнении со сплавом, содержащим 0,034 масс. % углерода. При испытании на растяжение образцов сплава с 0,063 масс. % углерода частицы карбида титана на этапе локализации деформации служат местами зарождения микропор, но сравнительно небольшая объемная доля частиц карбидов титана в структуре сплава не оказывают существенного влияния на характеристики его пластичности.
3. Установлено, что при температуре старения 500 °С увеличение длительности выдержки приводит к росту размера частиц вторичной аВ - фазы сплава. Показано, что упрочнение сплава при увеличении выдержки с 2-х до 32-х часов при старении зависит по крайней мере от двух составляющих - дисперсионного упрочнения за счет выделения вторичной аВ - фазы, уровень которого снижается при росте ее размеров, и твердорастворного упрочнения в - матрицы, за счет ее обогащения ванадием и железом в результате в ^ аВ - превращения.
4. Методом полнопрофильного РСФА впервые осуществлен комплексный анализ изменения параметров кристаллической решетки первичной и вторичной а - фазы при старении сплава Т1-10У-2Ре-3А1. Показано, что прогнозируемое перераспределение легирующих элементов между фазами при старении оказывает закономерное влияние на изменение периодов кристаллических решеток фаз. Обнаружено, что после нагрева на температуру старения объём элементарной ячейки вторичной аВ - фазы меньше, чем первичной аП - фазы. С увеличением времени старения происходит увеличение объёма ячейки вторичной аВ - фазы и уменьшение объёма ячейки первичной аП - фазы. Соотношение параметра с/а первичной аП - фазы при старении сохраняется выше, чем у вторичной аВ - фазы, что связано с более высоким содержанием алюминия в первичной аП - фазе.
5. Обнаружено, что уменьшение скорости нагрева закаленных образцов с 40
до 10 °С/мин до температуры старения 500 °С и увеличение содержания углерода в сплаве с 0,008 до 0,063 масс. % способствует получению более дисперсных выделений вторичных аВ (а”) - фаз с наименьшим размером при 0,034 масс. % углерода, обеспечивая более высокий уровень твердости в сплаве после охлаждения с температуры нагрева. Такое влияние скорости нагрева на структуру и свойства связано с зафиксированным методом ДСК эффектом смещения в область более низких температур интервала в ^ аВ (а”) - превращения при снижении скорости нагрева, что, как известно, способствует образованию более дисперсных зародышей вторичных выделений. Подтверждено, что при повышении содержания углерода измельчение вторичных аВ (а”) - выделений обусловлено образованием в в - твердом растворе комплексов углерод - кислород - вакансия, способствующих ускорению образования вторичных фаз
6. Рекомендовано для промышленного применения контролируемое микролегирование сплава Ti-10V-2Fe-3Al углеродом с целевым уровнем 0,03 ^ 0,04 масс. %, обеспечивающее в термоупрочненном состоянии повышение прочностных характеристик без снижения пластичности, а также снижение скорости роста в - зерна при температурах нагрева до (Тпп + 50) °С.
Перспективы дальнейшей разработки темы
Перспективным направлением дальнейших исследований является исследование влияния частиц карбида титана на усталостную прочность сплава Ti-10V-2Fe-3Al. Полученные в настоящей работе результаты позволяют рекомендовать целевое легирование сплава Ti-10V-2Fe-3Al углеродом в диапазоне 0,03 ^ 0,04 масс. %, что дает возможность получить сбалансированный комплекс прочностных и пластических характеристик.
2. Показано, что при повышении содержания углерода в сплаве П-10У-2Ре-3А1 с 0,008 до 0,034 масс. %, то есть в пределах растворимости в в - твердом растворе, наблюдается рост прочности закаленного сплава при старении за счет повышения дисперсности вторичной аВ - фазы. В структуре закаленного сплава с содержанием 0,063 масс. % углерода (выше предела растворимости) обнаружены частицы карбида титана, при этом дисперсность вторичной аВ - фазы при старении уменьшается, что приводит к снижению прочности сплава в сравнении со сплавом, содержащим 0,034 масс. % углерода. При испытании на растяжение образцов сплава с 0,063 масс. % углерода частицы карбида титана на этапе локализации деформации служат местами зарождения микропор, но сравнительно небольшая объемная доля частиц карбидов титана в структуре сплава не оказывают существенного влияния на характеристики его пластичности.
3. Установлено, что при температуре старения 500 °С увеличение длительности выдержки приводит к росту размера частиц вторичной аВ - фазы сплава. Показано, что упрочнение сплава при увеличении выдержки с 2-х до 32-х часов при старении зависит по крайней мере от двух составляющих - дисперсионного упрочнения за счет выделения вторичной аВ - фазы, уровень которого снижается при росте ее размеров, и твердорастворного упрочнения в - матрицы, за счет ее обогащения ванадием и железом в результате в ^ аВ - превращения.
4. Методом полнопрофильного РСФА впервые осуществлен комплексный анализ изменения параметров кристаллической решетки первичной и вторичной а - фазы при старении сплава Т1-10У-2Ре-3А1. Показано, что прогнозируемое перераспределение легирующих элементов между фазами при старении оказывает закономерное влияние на изменение периодов кристаллических решеток фаз. Обнаружено, что после нагрева на температуру старения объём элементарной ячейки вторичной аВ - фазы меньше, чем первичной аП - фазы. С увеличением времени старения происходит увеличение объёма ячейки вторичной аВ - фазы и уменьшение объёма ячейки первичной аП - фазы. Соотношение параметра с/а первичной аП - фазы при старении сохраняется выше, чем у вторичной аВ - фазы, что связано с более высоким содержанием алюминия в первичной аП - фазе.
5. Обнаружено, что уменьшение скорости нагрева закаленных образцов с 40
до 10 °С/мин до температуры старения 500 °С и увеличение содержания углерода в сплаве с 0,008 до 0,063 масс. % способствует получению более дисперсных выделений вторичных аВ (а”) - фаз с наименьшим размером при 0,034 масс. % углерода, обеспечивая более высокий уровень твердости в сплаве после охлаждения с температуры нагрева. Такое влияние скорости нагрева на структуру и свойства связано с зафиксированным методом ДСК эффектом смещения в область более низких температур интервала в ^ аВ (а”) - превращения при снижении скорости нагрева, что, как известно, способствует образованию более дисперсных зародышей вторичных выделений. Подтверждено, что при повышении содержания углерода измельчение вторичных аВ (а”) - выделений обусловлено образованием в в - твердом растворе комплексов углерод - кислород - вакансия, способствующих ускорению образования вторичных фаз
6. Рекомендовано для промышленного применения контролируемое микролегирование сплава Ti-10V-2Fe-3Al углеродом с целевым уровнем 0,03 ^ 0,04 масс. %, обеспечивающее в термоупрочненном состоянии повышение прочностных характеристик без снижения пластичности, а также снижение скорости роста в - зерна при температурах нагрева до (Тпп + 50) °С.
Перспективы дальнейшей разработки темы
Перспективным направлением дальнейших исследований является исследование влияния частиц карбида титана на усталостную прочность сплава Ti-10V-2Fe-3Al. Полученные в настоящей работе результаты позволяют рекомендовать целевое легирование сплава Ti-10V-2Fe-3Al углеродом в диапазоне 0,03 ^ 0,04 масс. %, что дает возможность получить сбалансированный комплекс прочностных и пластических характеристик.
Заказать работу
Заявка на оценку стоимости
Это краткая форма заказа. После ее заполнения вы перейдете на полную форму заказа работы
Каталог работ (149763)
- Бакалаврская работа (38394)
- Диссертация (978)
- Магистерская диссертация (22147)
- Дипломные работы, ВКР (60479)
- Главы к дипломным работам (2138)
- Курсовые работы (10523)
- Контрольные работы (6265)
- Отчеты по практике (1357)
- Рефераты (1481)
- Задачи, тесты, ПТК (631)
- Ответы на вопросы (155)
- Статьи, Эссе, Сочинения (942)
- Бизнес-планы (51)
- Презентации (106)
- РГР (84)
- Авторефераты (РГБ) (1692)
- Диссертации (РГБ) (1882)
- Прочее (458)
Новости
06.01.2018
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
Помощь в выполнении учебных и научных работ на заказ ОФОРМИТЬ ЗАКАЗ
дальше»» Все новости
Статьи
- Где лучше заказывать диссертации и дипломные?
- Выполнение научных статей
- Подготовка диссертаций
- Подводные камни при написании магистерской работы
- Помощь в выполнении дипломных работ
»» Все статьи
Заказать работу
Заявка на оценку стоимости
Это краткая форма заказа. После ее заполнения вы перейдете на полную форму заказа работы
