Деформационный рельеф поверхности титанового сплава после низкотемпературной сверхпластической формовки

УДК 538.971, 620.179.1

ДЕФОРМАЦИОННЫЙ РЕЛЬЕФ ПОВЕРХНОСТИ ТИТАНОВОГО СПЛАВА ПОСЛЕ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ СВЕРХПЛАСТИЧЕСКОЙ ФОРМОВКИ

КРУГЛОВ А.А., СИСАНБАЕВ А.В., РУДЕНКО О.А., ЛУТФУЛЛИН Р.Я.

Институт проблем сверхпластичности металлов РАН, 450001, г. Уфа, ул. Ст. Халтурина, 39

АННОТАЦИЯ. Исследован деформационный рельеф поверхности (ДРП) полусфер, полученных низкотемпературной сверхпластической формовкой (СПФ) листовых заготовок титанового сплава ВТ6 с ультрамелкозернистой (УМЗ) структурой. Формовку осуществляли в вакууме и на воздухе при температурах 600 и 650 °С. 3D-анализ методом лазерной сканирующей микроскопии показал, что ДРП существенно зависит от условий среды формообразования. Наиболее чувствительными параметрами к изменению морфологии ДРП оказались интегральные асимметрия и эксцесс (резкость) рельефа.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: титановый сплав, ультрамелкозернистая структура, низкотемпературная сверхпластическая формовка, деформационный рельеф поверхности, лазерная сканирующая микроскопия, количественный 3D-анализ.

ВВЕДЕНИЕ

Метод СПФ позволяет получать тонкостенные изделия сложной формы (оболочки, полые гофрированные и ячеистые конструкции) в основном из титановых сплавов путем воздействия на листовую заготовку или пакет заготовок давлением инертного газа [1, 2]. При СПФ образуется ДРП, что может существенно снижать усталостную прочность изделий в условиях знакопеременных нагрузок [3]. Изменить шероховатость поверхности после СПФ не удается из-за трудоемкости или невозможности обработки замкнутых полостей. Примером таких конструкций является титановая лопатка вентилятора авиационного двигателя [2, 4]. На морфологию ДРП могут влиять как внутренние, так и внешние факторы: размера зерна, температура СПФ, образование оксидного слоя на воздухе и т.д. Роль каждого фактора может быть выявлена путем взаимного сравнительного анализа.

Появление ДРП в первую очередь связывают с развитием зернограничного проскальзывания (ЗГП) - основного механизма сверхпластической деформации, который зависит от структуры и температуры [5, 6]. Титановые сплавы имеют повышенную склонность к окислению и газонасыщению при повышенных температурах [7]. Традиционный температурный интервал сверхпластической деформации составляет 800^ 1000 °С [6], что требует учета роли внешней среды.

При производстве титановых изделий методом СПФ востребовано снижение температуры процесса [8, 9]. Развитие методов интенсивной пластической деформации и прокатки привело к появлению УМЗ титановых листов со средним размером зерен dcр. < 1 мкм [8 — 10]. Известно, что УМЗ титановые сплавы проявляют эффект низкотемпературной сверхпластичности [9 — 11]. В работе [10] показано, что использование листов сплава ВТ6 с dcр. ~ 0,2 мкм позволило снизить температуру СПФ до 600 °С. В отечественном прокатном производстве уже получают промышленные листы сплава типа ВТ6 с dcр. ~ 1 мкм, что делает возможным СПФ при 650 °С [9].

Приведенные примеры показывают актуальность исследований ДРП изделий, полученных в разных условиях СПФ титановых сплавов. В связи с чем, целью представленной работы является сравнительная количественная оценка 3D-параметров ДРП после низкотемпературной СПФ листовых заготовок из титанового сплава ВТ6 с УМЗ структурой.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Для исследований использовали листы толщиной 0,7 мм из УМЗ титанового сплава ВТ6 (Ti-6Al-4V) с d^. ~ 0,2 мкм. Круглые листовые заготовки формовали аргоном в цилиндрическую матрицу диаметром 70 мм и высотой 35 мм до образования полусферического купола, чтобы исключить контакт заготовки с инструментом. Методика СПФ подробно описана в работе [12]. Деформирование проводили в вакууме Р ~ 0,1 Па и на воздухе в электропечах ОКБ-8086 и KS-400, соответственно. Полусферы радиусом 35 мм были получены при температурах 600 и 650 °С. Температуру поддерживали с точностью ± 5 °С. Выбор температур СПФ обусловлен тем, что они входят в интервал низкотемпературной сверхпластичности, а при температурах выше 621 °С начинается процесс растворения оксидной пленки в техническом титане [13].

Для определения шероховатости проводили 3D-съемку поверхности исходного листа и центральной части внешней поверхности полусфер с помощью лазерного сканирующего микроскопа «LSM-5-Exciter» (Carl Zeiss, Germany) [14, 15]. Применяли бесконтактный конфокальный метод сканирования, который позволяет визуализировать и измерять топографию ДРП разнообразного профиля. С помощью программы 3D-анализа «ZEN» определяли локальные (по профилограмме) и интегральные (по всей сканируемой поверхности) параметры ДРП: Ra и RSa - дисперсия (среднее арифметическое отклонение), Rc и RSc - средняя высота, Rz и RSz - экстремум (усредненный пик долины). Определяли также безразмерные параметры морфологии ДРП: RSsk — асимметрия и RSku — эксцесс.

Определение безразмерных параметров ДРП необходимо, если совокупность измеряемых величин отличается от закона нормального распределения. Для описания такого распределения учитывались моменты более высокого порядка — асимметрия и эксцесс [16]. Асимметрия характеризует несимметричность распределения измеряемой величины в процессах, где действует какой-либо однонаправленный фактор. Чем больше разность между средней арифметической и модой (медианой), тем больше асимметрия ряда. Асимметрия (RSsk) представляет собой момент третьего порядка, т.е. представляет собой дисперсию дисперсии. Если |RSsk| > 0,5 — асимметрия считается значительной. Если |RSsk| < 0,2 — асимметрия считается незначительной. Нормальное распределение измеряемой величины имеет место, когда на процесс оказывают влияние неопределенное множество неконтролируемых факторов, которые уравновешивают друг друга. Для симметричных распределений такие параметры как средняя арифметическая, мода и медиана между собой равны. На практике симметричные распределения встречаются редко, что требует оценки степени их асимметрии. В случае ДРП асимметрия параметров будет связана с несоразмерностью или различием в строении, углах наклона и протяженности элементов поверхности. Эксцесс (резкость) является мерой остроты пиков рельефа. Коэффициент эксцесса нормального распределения равен нулю. Если эксцесс положителен или отрицателен, то пик распределения параметра около математического ожидания острый или сглаженный, соответственно.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1 показан внешний вид полусфер, полученных после СПФ в разных условиях. Разная степень «цветов побежалости» (эффект разложения белого света в спектр) наиболее отчетливо видны после СПФ на воздухе. На рис. 2 — 4 показаны ДРП и их локальные профилограммы до и после СПФ. Заметна качественная разница в неоднородности ДРП для полусфер, полученных СПФ на воздухе. Для корректного сравнительного анализа ДРП и оценки влияния разных условий СПФ использовали количественные интегральные значения параметров шероховатости поверхности полученных полусфер (см. таблицу и рис. 5 и 6).

После СПФ в вакууме (условия № 2 и № 3) размерные параметры ДРП полусфер по сравнению с исходным листом (условие № 1) изменились в пределах ~ 10 %.

Рис. 1. Полусферы, полученные СПФ: а) - в вакууме при 600 °С; Ь) - в вакууме при 650 °С; с) - на воздухе при 600 °С; - на воздухе при 650 °С

а) " " ~ " 11 " Ь)

Рис. 2. Исходный рельеф поверхности в разных зонах листа: а) - центр; Ь) - край

Рис. 3. ДРП полусферы после СПФ в вакууме: а) - 600 °С; Ь) - 650 °С

° — " 77 а) : - - — " " Ъ)

Рис. 4. ДРП полусферы после СПФ на воздухе: а) - 600 °С; Ь) - 650 °С

Таблица

Параметры морфологии поверхности УМЗ титанового сплава ВТ6 до и после СПФ

Условия RSa, мкм RSc, мкм RSz, мкм ^ки

№ 1 (исх.) 3,1 14,9±2,4 21,6±2,5 -0,4 3,2±0,2

№ 2 (вакуум, 600 °С) 3,4 11,8 23,0 -0,1 2,9

№ 3 (вакуум, 650 °С) 3,4 14,6 27,8 -0,1 3,0

№ 4 (воздух, 600 °С) 6,1 37,9 59,7 -0,7 4,9

№ 5 (воздух, 650 °С) 7,5 21,6 54,3 0,1 3,0

60

40

20

0

2

3

4

5

Рис. 5. Параметры морфологии поверхности полусферы до и после СПФ № 1 - исходный лист; № 2 - вакуум 600 °С; № 3 - вакуум 650 °С; № 4 - воздух 600 °С; № 5 - воздух 650 °С

С повышением температуры СПФ более интенсивное развитие ЗГП приводит к увеличению средней высоты пиков и экстремума рельефа. Наблюдается снижение

1

асимметрии ДРП, связанное с его размытием при ЗГП. Разница в эксцессах незначительна. Практически все изменения параметров ДРП после СПФ в вакууме находятся в пределах неоднородности рельефа поверхности исходного листа.

0,2 0 -0,2 -0,4 -0,6 -0,8

Асимметрия р ельефа

J___I___I___1_

1 2 3 4 5

5 4 3 2

0

Эксцесс рельефа

1 2 3 4 5

а) Ь)

Рис. 6. Асимметрия (а) и эксцесс (Ь) морфологии поверхности полусферы до и после СПФ: № 1 - исходный лист; № 2 - вакуум 600 °С; № 3 - вакуум 650 °С; № 4 - воздух 600 °С; № 5 - воздух 650 °С

1

После СПФ на воздухе (условие № 4) параметры морфологии ДРП полусфер заметно (в 2 — 3 раза) выше по сравнению с СПФ в вакууме. Данный эффект связан с образованием оксидной пленкой [7, 17] и её растрескиванием при деформации. Другими словами, происходит своеобразное «декорирование» ДРП. Это находит о ражение в наблюдаемой картине изменения степени шероховатости поверхности в виде увеличения значений размерных параметров. На нарушение нормального развития процесса образования ДРП указывают безразмерные параметры (асимметрия и эксцесс).

С повышением температуры СПФ на воздухе до 650 °С (условие № 5) происходит общее снижение параметров ДРП по сравнению с 600 °С (условие № 4). Это связано с процессом растворения оксидной пленки при температурах выше 621 °С.

На изменение условий формирования ДРП указывает изменение величины и знака асимметрии. Резкость ДРП становится как после СПФ в вакууме, на что указывает величина эксцесса. Таким образом, после низкотемпературной СПФ на воздухе проблема хрупкого слоя в сплавах системы Ti-6Al-4V сохраняется. К оксидной пленке после начала ее растворения добавляется газонасыщенный слой [17]. Эффект развития газонасыщенного слоя связан с большой объемной долей границ зерен и тройных стыков в УМЗ структуре [18]. Это приводит к усилению диффузионной активности по границам зерен, связанное с увеличением вклада ЗГП при деформации [16 — 19]. Т.е., роль внешней среды при СПФ довольно значительная и сильно меняет морфологию ДРП из-за растрескивания хрупкого слоя.

ВЫВОДЫ

Лазерная сканирующая микроскопия является эффективным локальным и интегральным методом количественного исследования ДРП. Наиболее чувствительными параметрами изменения ДРП оказались безразмерные характеристики морфологии поверхности. 3D-анализ поверхности полусфер, полученных низкотемпературной СПФ из УМЗ титанового сплава ВТ6 показал, что условия среды оказывают существенное влияние на морфологию ДРП.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Сверхпластическая формовка конструкционных сплавов / под ред. Н. Пейтона, К. Гамильтона М. : Металлургия, 1985. 312 с.

2. Петров Е.Н., Родионов В.В., Кузьмин Э.Н., Лутфуллин Р.Я., Сафиуллин Р.В. Ячеистые конструкции. Снежинск : Изд-во РФЯЦ-ВНИИТФ, 2008. 176 с.

3. Partridge P.G. and Dunford D.V. Effect of Superplastic Deformation on the Surface Roughness of Sheet. Farnborough, Hants : Royal aerospace establishment, July 1988. 8 р.

4. Валиахметов О.Р., Галеев Р.М., Иванько В.А., Имаев Р.М., Иноземцев А.А., Кокшаров Н.Л., Круглов А.А., Лутфуллин Р.Я., Мулюков Р.Р., Назаров А.А., Сафиуллин Р.В., Харин С.А. Использование наноструктурных материалов и нанотехнологий для создания полых конструкций // Российские нанотехнологии. 2010. Т. 5, № 1-2. С. 102-111.

5. Kaibyshev O.A., Safiullin R.V., Lutfullin R.Y. and Astanin V.V. On the Model of Solid State Joint Formation under Superplastic Forming Conditions // Journal of Materials Engineering Performance. 1999. V. 8(2). Р. 205-210.

6. Кайбышев О.А. Сверхпластичность промышленных сплавов. М. : Металлургия, 1984. 264 с.

7. Цвиккер У. Титан и его сплавы / пер с немец., М. : Металлургия, 1979. 512 с.

8. Comley P.N. Lowering the heat — the development of reduced SPF temperature titanium alloys for aircraft production // Materials Science Forum. Trans Tech Publications. 2004. V. 447-448. Р. 233-238.

9. Кашаев Р.М., Лутфуллин Р.Я., Нагимов М.И. Низкотемпературная сверхпластичность титанового сплава Ti-6Al-4V // Вестник ПНИПУ. Механика. 2010. № 2. С. 70-78.

10. Астанин В.В. Получение металло-матричных композитов с применением эффекта сверхпластичности // Вестник УГАТУ. 2002. T 2. С. 34-43.

11. Лутфуллин Р.Я., Мухаметрахимов М.Х., Круглов А.А. К вопросу о порообразовании в титановом сплаве ВТ6 при деформации в условиях низкотемпературной сверхпластичности // Письма о материалах. 2013. Т. 3, № 4. С. 292-294.

12. Круглов А.А., Руденко О.А. Формуемость наноструктурного листа титанового сплава ВТ6 // Письма о материалах. 2012. Т. 2, № 2. С. 107-110.

13. Campbell F.C. Manufacturing technology for aerospace structural materials. Elsevier Ltd., 2006. 600 р.

14. Круглов А.А., Руденко О.А., Сисанбаев А.В. Температурная зависимость деформационного рельефа наноструктурного титанового сплава после сверхпластической формовки // Перспективные материалы. 2011. № 12. С. 258-261.

15. Ахатова А.Ф., Саркеева А.А., Круглов А.А., Сисанбаев А.В., Александров И.В. 3D-анализ изломов титанового сплава ВТ6 после испытаний на ударный изгиб методом лазерной сканирующей микроскопии // Химическая физика и мезоскопия. 2014. Т. 16, № 1. С. 109-114.

16. Кобзарь А.И. Прикладная математическая статистика. М. : Физматлит, 2006. 238 с.

17. Pitt F., Ramulu M. Influence of Grain Size and Microstructure on Oxidation Rates in Titanium Alloy Ti-6Al-4V Under Superplastic Forming Conditions // Journal of Materials Engineering and Performance. 2004. V. 13 (6). Р. 727-734.

18. Алымов М.И., Зеленский В.А. Методы получения и физико-механические свойства объемных нанокристаллических материалов. М. : МИФИ, 2005. 52 с.

19. Раточка И.В., Лыкова О.Н., Гераськина А.Ю., Скрипняк В.А. Исследование развития зернограничного проскальзывания при сверхпластической деформации титанового сплава ВТ6 с субмикрокристаллической структурой // Физическая мезомеханика. 2009. Т. 12(5). С. 97-101.

DEFORMATION RELIEF SURFACE OF TITANIUM ALLOY AFTER LOW-TEMPERATURE SUPERPLASTIC FORMING

Kruglov A.A., Sisanbaev A.V., Rudenko O.A., Lutfullin R.J.

Institute for Metals Superplasticity Problems of Russian Academy of Sciences, Ufa, Russia

SUMMARY. Investigated of the deformation relief of surface (DRS) hemispheres obtained low-temperature superplastic forming (SPF) of titanium alloy blanks Ti-6Al-4V with ultrafine-grained (UFG) structure. Forming is carried out under vacuum and in air at temperatures of 600 and 650 °C. 3D-analysis by laser scanning microscopy demonstrated that the DRS noticeably dependent on the conditions of formation of the medium. The most sensitive to changes in the morphology of DRS were integral asymmetry and excess (incision) of relief.

KEYWORDS: titanium alloy, ultrafine grained structure, low-temperature superplastic forming, deformation relief of surface, laser scanning microscopy, quantitative 3D-analysis.

Круглов Алексей Анатольевич, кандидат технических наук, старший научный сотрудник ИПСМ, e-mail: alweld@go.ru

Сисанбаев Альберт Василович, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ИПСМ, тел. (347) 282-37-10, e-mail: sisan-av@yandex.ru

Руденко Олег Александрович, ведущий инженер ИПСМ

Лутфуллин Рамиль Яватович, доктор технических наук, заведующий лабораторией ИПСМ, e-mail: lutram@anrb.ru