Помощь студентам в учебе
ВЛИЯНИЕ СОДЕРЖАНИЯ УГЛЕРОДА В ТИТАНОВОМ СПЛАВЕ Ti–10V–2Fe–3Al НА СТРУКТУРНО-ФАЗОВОЕ СОСТОЯНИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА, ФОРМИРУЕМЫЕ ПРИ ТЕРМИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ
|
ВВЕДЕНИЕ 4
Глава 1. Аналитический обзор литературы 12
1.1 Общие сведения о титановых сплавах 12
1.2 Механические свойства сплава Т1-10У-2Ре-3А1 16
1.3 Фазовые и структурные превращения в сплаве Т1-10У-2Ре-3А1 23
1.4 Перераспределение легирующих элементов между фазами в сплавах титана 31
1.5 Влияние углерода на структуру и механические свойства
высокопрочных титановых сплавов 40
1.6 Полнопрофильный рентгеноструктурный анализ 51
1.7 Постановка цели и задач исследования 57
Глава 2. Материал и методы исследования 60
2.1 Объекты исследования 60
2.2 Методы исследования 60
Глава 3. Влияние содержания углерода в сплаве Т1-10У-2Ре-3А1 на его структуру, фазовый состав, механические свойства в закаленном и состаренном состоянии 64
3.1 Влияние содержания углерода в сплаве Т1-10У-2Ре-3А1 на
температуру полиморфного а+Р^Д-превращения 64
3.2 Влияние углерода на структуру и фазовый состав сплава
Т1-10У-2Ре-3А1 в закаленном и термодинамически равновесном состоянии 68
3.3 Влияние содержания углерода в сплаве Т1-10У-2Ре-3Л1 на
объёмную долю вторых фаз и средний размер Р - зёрен вблизи Тпп 72
3.4 Механические свойства сплава Т1-10У-2Ре-3Л1 с различным
содержанием углерода в закаленном и состаренном состоянии 74
3.5 Структура сплава Ti-10V-2Fe-3Al с различным содержанием
углерода после старения 78
3.6 Фрактографический и микроструктурный анализ сплава
Ti-10V-2Fe-3Al после испытаний механических свойств в состаренном состоянии 83
Выводы по главе 3 87
Глава 4. Эволюция структурно-фазового состояния и свойств
закаленного титанового сплава Ti-10V-2Fe-3Al с различным
содержанием углерода при старении в течение различного времени и непрерывном нагреве
4.1 Взаимосвязь структуры и твёрдости сплава 89
4.2 Перераспределение легирующих элементов между фазами и
закономерности изменения периодов кристаллических решёток фаз при старении 102
4.3 Оценка вклада разных механизмов в упрочнение закаленного сплава
Ti-10V-2Fe-3Al при старении 112
4.4 Влияние скорости нагрева на выделение вторичной аВ - фазы в
закаленном сплаве Ti-10V-2Fe-3Al 115
Выводы по главе 4 129
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 131
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 134
Приложение 146
Глава 1. Аналитический обзор литературы 12
1.1 Общие сведения о титановых сплавах 12
1.2 Механические свойства сплава Т1-10У-2Ре-3А1 16
1.3 Фазовые и структурные превращения в сплаве Т1-10У-2Ре-3А1 23
1.4 Перераспределение легирующих элементов между фазами в сплавах титана 31
1.5 Влияние углерода на структуру и механические свойства
высокопрочных титановых сплавов 40
1.6 Полнопрофильный рентгеноструктурный анализ 51
1.7 Постановка цели и задач исследования 57
Глава 2. Материал и методы исследования 60
2.1 Объекты исследования 60
2.2 Методы исследования 60
Глава 3. Влияние содержания углерода в сплаве Т1-10У-2Ре-3А1 на его структуру, фазовый состав, механические свойства в закаленном и состаренном состоянии 64
3.1 Влияние содержания углерода в сплаве Т1-10У-2Ре-3А1 на
температуру полиморфного а+Р^Д-превращения 64
3.2 Влияние углерода на структуру и фазовый состав сплава
Т1-10У-2Ре-3А1 в закаленном и термодинамически равновесном состоянии 68
3.3 Влияние содержания углерода в сплаве Т1-10У-2Ре-3Л1 на
объёмную долю вторых фаз и средний размер Р - зёрен вблизи Тпп 72
3.4 Механические свойства сплава Т1-10У-2Ре-3Л1 с различным
содержанием углерода в закаленном и состаренном состоянии 74
3.5 Структура сплава Ti-10V-2Fe-3Al с различным содержанием
углерода после старения 78
3.6 Фрактографический и микроструктурный анализ сплава
Ti-10V-2Fe-3Al после испытаний механических свойств в состаренном состоянии 83
Выводы по главе 3 87
Глава 4. Эволюция структурно-фазового состояния и свойств
закаленного титанового сплава Ti-10V-2Fe-3Al с различным
содержанием углерода при старении в течение различного времени и непрерывном нагреве
4.1 Взаимосвязь структуры и твёрдости сплава 89
4.2 Перераспределение легирующих элементов между фазами и
закономерности изменения периодов кристаллических решёток фаз при старении 102
4.3 Оценка вклада разных механизмов в упрочнение закаленного сплава
Ti-10V-2Fe-3Al при старении 112
4.4 Влияние скорости нагрева на выделение вторичной аВ - фазы в
закаленном сплаве Ti-10V-2Fe-3Al 115
Выводы по главе 4 129
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 131
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 134
Приложение 146
Актуальность темы исследования
После освоения промышленной технологии изготовления титановой губки, начиная с 1950-х годов, титановые сплавы нашли применение в авиастроении, химической промышленности, медицине и индустриальном секторе [1, 2].
Наиболее широко титановые сплавы используются в авиа- и двигателестроении, благодаря сочетанию высокой удельной прочности и хорошей жаропрочности. В моделях последнего поколения гражданских авиалайнеров (Airbus A350, Boeing 787) из титановых сплавов изготавливают хорды крыльев, силовую часть пилона, гидросистему, детали шасси и другие элементы, общая доля которых достигает 15 % массы самолета, а в военных моделях доходит до 93 % [3, 4]. Первыми высокопрочными сплавами титана на основе 0 - твёрдого раствора, которые стали использовать в 70-х годах XX века для изготовления крупногабаритных штамповок шасси самолетов были (а + 0) - сплавы переходного класса ВТ22 и Ti-10V-2Fe-3Al. 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. В зависимости от целевого уровня свойств, которые требуются заказчику, подбирается технологический маршрут, обеспечивающий формирование заданной структуры. Так, например, это может быть заключительная термическая обработка, включающая выдержку в 0 - области с последующим контролируемым охлаждением для формирования структуры с пакетами пластин а - фазы, которая имеет высокую вязкость разрушения. Либо это может быть закалка из (а + 0) - области и последующее старение, в результате чего формируется дуплексная структура, обладающая наилучшим сочетанием прочности и пластичности [5]. 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 [6].
В последние десятилетия активно развивается направление компьютерного моделирования структурно-фазовых превращений в сплавах, целью которого является создание цифрового «генома» материала - программы способной смоделировать изменение структурно-фазового состояния сплава по всей цепочке технологического процесса и предсказать окончательные механические свойства [7]. Для этого требуется понимание фундаментальных основ реализации структурно-фазовых превращений и их взаимосвязи с технологическими параметрами, а 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 Р - 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 [8-10]. Однако доступность таких методов остается ограниченной для широкого круга исследователей и производителей. Поэтому развитие других методов, таких как, полнопрофильный рентгеноструктурный фазовый анализ [11], 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 на структуру и свойства сплавов титана на основе Р - фазы является мало освещённой областью исследований, в литературе представлены неполные данные только для нескольких сплавов (Т1-5А1-5У-5Мо-3Сг, Т1-15У-3Сг-38п-3А1, Ве1а-С). 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 [12]. Например, предел растворимости углерода в самом массовом титановом сплаве Т1-6А1-4У порядка 0,35 масс. %, в сплавах, легированных значительным количеством р - стабилизаторов, предел растворимости существенно меньше, в частности, в сплаве Т1-15Мо - 0,006 масс. %, в сплаве Т1-16ЫЬ - 0,023 масс. % [13]. Когда концентрация углерода в кристаллической решетке превышает предел растворимости в твердом растворе, то он образует с титаном новую фазу - карбид титана [14]. Данная фаза Т1ХСУ может иметь различную стехиометрию и как следствие различные физико-механические свойства. Карбид титана Т1С имеет высокую температуру плавления (3140 °С) и существенно больший модуль упругости (440 ГПа), чем у конструкционных титановых сплавов (115 ГПа). Работ, освещающих влияние именно углерода на структуру и механические свойства сплава Т1-10У-2Ге-3А1, в литературе не обнаружено. Поэтому получение новых знаний по этим вопросам является актуальным как с научной точки зрения, так и с практической стороны.
Целью настоящей работы являлось установление влияния содержания углерода на структурно-фазовое состояние и механические свойства титанового сплава Т1-10У-2Ге-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 Т1-10У-2Ге-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-2Ге-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-2Ге-3А1.
Научная новизна
1. Термодинамическим расчетом определено, что предел максимальной
растворимости углерода в 0 - твердом растворе сплава Т1-10У-2Те-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 растворе комплексов «углерод-кислород-вакансия» и росту прочностных свойств.
3. Показано, что с увеличением длительности старения закаленного сплава Т1-10У-2Те-3А1 наблюдается рост объёма элементарной ячейки вторичной ав - фазы за счет перераспределения легирующих элементов (алюминия, ванадия, железа) между 0 -, 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 Т1-10У-2Те-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 Т1-10У-2Те-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 Т1-10У-2Те-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, 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 Т1-10У-2Ре-3А1;
2. Сравнительные результаты экспериментальных исследований поведения сплава Т1-10У-2Ре-3А1 с содержанием углерода от 0,008 до 0,063 масс. % в ходе механических испытаний;
3. Закономерности изменения в закаленном сплаве Т1-10У-2Ре-3А1 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 Т1-10У-2Ре-3А1 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.
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.
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 в рецензируемых российских и зарубежных научных журналах, а также в сборниках трудов российских и международных конференций из них 7 статей, индексируемых в базах данных Scopus и WoS.
После освоения промышленной технологии изготовления титановой губки, начиная с 1950-х годов, титановые сплавы нашли применение в авиастроении, химической промышленности, медицине и индустриальном секторе [1, 2].
Наиболее широко титановые сплавы используются в авиа- и двигателестроении, благодаря сочетанию высокой удельной прочности и хорошей жаропрочности. В моделях последнего поколения гражданских авиалайнеров (Airbus A350, Boeing 787) из титановых сплавов изготавливают хорды крыльев, силовую часть пилона, гидросистему, детали шасси и другие элементы, общая доля которых достигает 15 % массы самолета, а в военных моделях доходит до 93 % [3, 4]. Первыми высокопрочными сплавами титана на основе 0 - твёрдого раствора, которые стали использовать в 70-х годах XX века для изготовления крупногабаритных штамповок шасси самолетов были (а + 0) - сплавы переходного класса ВТ22 и Ti-10V-2Fe-3Al. 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. В зависимости от целевого уровня свойств, которые требуются заказчику, подбирается технологический маршрут, обеспечивающий формирование заданной структуры. Так, например, это может быть заключительная термическая обработка, включающая выдержку в 0 - области с последующим контролируемым охлаждением для формирования структуры с пакетами пластин а - фазы, которая имеет высокую вязкость разрушения. Либо это может быть закалка из (а + 0) - области и последующее старение, в результате чего формируется дуплексная структура, обладающая наилучшим сочетанием прочности и пластичности [5]. 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 [6].
В последние десятилетия активно развивается направление компьютерного моделирования структурно-фазовых превращений в сплавах, целью которого является создание цифрового «генома» материала - программы способной смоделировать изменение структурно-фазового состояния сплава по всей цепочке технологического процесса и предсказать окончательные механические свойства [7]. Для этого требуется понимание фундаментальных основ реализации структурно-фазовых превращений и их взаимосвязи с технологическими параметрами, а 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 Р - 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 [8-10]. Однако доступность таких методов остается ограниченной для широкого круга исследователей и производителей. Поэтому развитие других методов, таких как, полнопрофильный рентгеноструктурный фазовый анализ [11], 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 на структуру и свойства сплавов титана на основе Р - фазы является мало освещённой областью исследований, в литературе представлены неполные данные только для нескольких сплавов (Т1-5А1-5У-5Мо-3Сг, Т1-15У-3Сг-38п-3А1, Ве1а-С). 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 [12]. Например, предел растворимости углерода в самом массовом титановом сплаве Т1-6А1-4У порядка 0,35 масс. %, в сплавах, легированных значительным количеством р - стабилизаторов, предел растворимости существенно меньше, в частности, в сплаве Т1-15Мо - 0,006 масс. %, в сплаве Т1-16ЫЬ - 0,023 масс. % [13]. Когда концентрация углерода в кристаллической решетке превышает предел растворимости в твердом растворе, то он образует с титаном новую фазу - карбид титана [14]. Данная фаза Т1ХСУ может иметь различную стехиометрию и как следствие различные физико-механические свойства. Карбид титана Т1С имеет высокую температуру плавления (3140 °С) и существенно больший модуль упругости (440 ГПа), чем у конструкционных титановых сплавов (115 ГПа). Работ, освещающих влияние именно углерода на структуру и механические свойства сплава Т1-10У-2Ге-3А1, в литературе не обнаружено. Поэтому получение новых знаний по этим вопросам является актуальным как с научной точки зрения, так и с практической стороны.
Целью настоящей работы являлось установление влияния содержания углерода на структурно-фазовое состояние и механические свойства титанового сплава Т1-10У-2Ге-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 Т1-10У-2Ге-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-2Ге-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-2Ге-3А1.
Научная новизна
1. Термодинамическим расчетом определено, что предел максимальной
растворимости углерода в 0 - твердом растворе сплава Т1-10У-2Те-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 растворе комплексов «углерод-кислород-вакансия» и росту прочностных свойств.
3. Показано, что с увеличением длительности старения закаленного сплава Т1-10У-2Те-3А1 наблюдается рост объёма элементарной ячейки вторичной ав - фазы за счет перераспределения легирующих элементов (алюминия, ванадия, железа) между 0 -, 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 Т1-10У-2Те-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 Т1-10У-2Те-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 Т1-10У-2Те-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, 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 Т1-10У-2Ре-3А1;
2. Сравнительные результаты экспериментальных исследований поведения сплава Т1-10У-2Ре-3А1 с содержанием углерода от 0,008 до 0,063 масс. % в ходе механических испытаний;
3. Закономерности изменения в закаленном сплаве Т1-10У-2Ре-3А1 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 Т1-10У-2Ре-3А1 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.
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.
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 в рецензируемых российских и зарубежных научных журналах, а также в сборниках трудов российских и международных конференций из них 7 статей, индексируемых в базах данных Scopus и WoS.
1. Термодинамическим расчетом определено, что предел максимальной
растворимости углерода в в - твердом растворе сплава Ti-10V-2Fe-3Al 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
Ti-10V-2Fe-3Al 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 Ti-10V-2Fe-3Al. 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 0 ^ 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 0 - 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 0 - 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 Т1-10У-2Ре-3А1. Полученные в настоящей работе результаты позволяют рекомендовать целевое легирование сплава Т1-10У-2Ре-3А1 углеродом в диапазоне 0,03 ^ 0,04 масс. %, что позволяет получить сбалансированный комплекс прочностных и пластических характеристик.
растворимости углерода в в - твердом растворе сплава Ti-10V-2Fe-3Al 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
Ti-10V-2Fe-3Al 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 Ti-10V-2Fe-3Al. 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 0 ^ 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 0 - 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 0 - 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 Т1-10У-2Ре-3А1. Полученные в настоящей работе результаты позволяют рекомендовать целевое легирование сплава Т1-10У-2Ре-3А1 углеродом в диапазоне 0,03 ^ 0,04 масс. %, что позволяет получить сбалансированный комплекс прочностных и пластических характеристик.
Подобные работы
- ВЛИЯНИЕ СОДЕРЖАНИЯ УГЛЕРОДА В ТИТАНОВОМ СПЛАВЕ Т1-10У-2Ее-3А1 НА СТРУКТУРНО-ФАЗОВОЕ СОСТОЯНИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА, ФОРМИРУЕМЫЕ ПРИ ТЕРМИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ
Авторефераты (РГБ), металлургия. Язык работы: Русский. Цена: 250 р. Год сдачи: 2022