Исследование стабильности механических свойств полуфабрикатов из двухфазных титановых сплавов

УДК 669.295.5

О. М. Шаповалова, И. А. Маркова, Т. И. Ивченко

ИССЛЕДОВАНИЕ СТАБИЛЬНОСТИ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЛУФАБРИКАТОВ ИЗ ДВУХФАЗНЫХ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

Изучена степень стабильности механических свойств полуфабрикатов различных видов и размеров из конструкционных титановых сплавов ВТ6, ВТ6С, ВТ23, ВТ3-1. Установлен существенный разброс характеристик пластичности и ударной вязкости металла всех видов заготовок. Обсуждены причины, порождающие неоднородность структуры и распределения легирующих элементов, а, следовательно, и нестабильность свойств.

Стабильность механических свойств, наряду с их уровнем, является одним из основных требований, предъявляемых к титановым сплавам, которые используются для изготовления изделий ответственного назначения. Вместе с тем, как показал производственный опыт, даже изделия, изготовленные по одной технологии, могут иметь существенный разброс характеристик. Титановые сплавы являются многокомпонентными системами, в которых происходят сложные фазовые превращения, сопряженные с затрудненной диффузией легирующих элементов. Это обусловливает склонность их к неоднородности состава, структуры и свойств.

Проблеме повышения уровня механических свойств титановых сплавов легированием, оптимизацией режимов обработки давлением и термической обработки изделий посвящено много работ. Вопросы стабильности характеристик прочности и пластичности изучены недостаточно. Этим определяется актуальность данного исследования.

Целью работы было исследование стабильно -сти механических свойств полуфабрикатов разного вида (прутков, листов, штамповок, поковок) различных размеров, изготовленных из наиболее широко применяемых титановых сплавов (ВТ6, ВТ6С, ВТ3-1, ВТ23).

Нами изучена стабильность механических свойств полуфабрикатов разного вида (прутков, листов, штамповок, поковок) различных разме-

ров, изготовленных из наиболее широко применяемых титановых сплавов (ВТ6, ВТ6С, ВТ3-1, ВТ23). Химический состав сплавов и виды полуфабрикатов приведены в таблице 1.

Из таблицы 2 следует, что для всех исследованных сплавов и видов полуфабрикатов значения предела прочности были относительно стабильными, значения К не превышали 7%, тогда как характеристики пластичности и ударной вязкости имели существенный разброс. Значения коэффициента вариации относительного удлинения для поковок из сплава ВТ3-1 доходили до 46%, для относительного сужения составляли от 8,5%

для прутков диаметром 45......60 мм из сплава ВТ6

до 22% для прутков диаметром 110......150 мм и

28% для штамповок из сплава ВТ23. Коэффициенты вариации ударной вязкости для прутков имели значения от 11 до 57%, для поковок из сплава ВТ3-1 - 28%.

С целью изучения стабильности характеристик в пределах одной заготовки были исследованы механические свойства образцов, вырезанных по определенной схеме из листов толщиной 3 и 10 мм сплава ВТ6С, прутков диаметром 100 мм сплава ВТ6. В случае крупногабаритных изделий исследовали образцы, вырезанные из технологических припусков, для сплава ВТ23 - из одной штамповки, для сплава ВТ3-1 — из поковок, изготовленных из металла одной плавки. В таблице 3 приведены средние значения механических свойств и коэффициенты вариации.

Таблица 1 — Химический состав и виды полуфабрикатов исследованных титановых сплавов

Сплав Химический состав % масс. Полуфабрикат

Al Mo Cr Fe Si V Zr Вид Размеры

ВТ6С 5,3-6,5 - - < 0,25 < 0,1 3,5-4,5 < 0,3 Лист Толщина от 1 до 10 мм

ВТ6 5,3-6,8 - - < 0,3 < 0,4 3,5-5,3 < 0,3 Пруток Диаметр от10 до 250 мм

ВТ3-1 5,5-6,5 2-3 0,8-2,3 0,2-0,7 0,2-0,4 - - Поковка Диаметр 500 мм

ВТ23 4-6 1,5-2,5 0,8-1,4 0,4-0,8 - 4-5 - Штамповка Масса 1500 кг

© О. М. Шаповалова, И. А. Маркова, Т. И. Ивченко, 2009

ISSN1727-0219 Вестник двигателестроения № 1/2СЮ9

- 125 -

Таблица 2 — Коэффициенты вариации механических свойств титановых сплавов

Сплав Коэффициенты вариации ,%

ав 8 ¥ кси

ВТ6С 1,1-7,3 2,4-17,9 - -

ВТ6 1,8-5,6 10-20 8,5-22 11-57

ВТ3-1 6,8 46,1 - 28

ВТ23 2,5 18,6 28 -

Таблица 3 — Разброс механических характеристик в пределах одного полуфабриката

Сплав Предел прочности Относительное удлинение Относительное сужение Ударная вязкость

Среднее МПа К % Среднее % К % Среднее % К % Среднее МДж/м2 К %

ВТ3-1 плавка 28-715 1206 3,4 5,5 29,3 - - 0,31 24,5

ВТ23 плавка 81-03 1141 2,5 7,8 28,4 25,4 29 - -

ВТ6С лист 10 мм 935,3 0,8 9,3 12 29,9 10,6 - -

ВТ6 пруток 0 100 мм 950,8 1 12,3 16,9 33,6 10,2 - -

Из таблицы 3 следует, что и для одной заготовки значения предела прочности были стабильными, а характеристики пластичности имели существенный разброс. Так, для сплавов ВТ6 и ВТ6С значения коэффициентов вариации предела прочности составляли ~ 1%, для крупногабаритных изделий из сплавов ВТ3-1 и ВТ23 ~ 3%. Значения коэффициентов вариации относительного удлинения оказались существенно выше: для сплавов ВТ6 и ВТ6С они были равными 16,9 и 12%, а для ВТ3-1 и ВТ23 - 29,3 и 28,4% соответственно. Аналогичны данные и для относительного сужения: коэффициенты вариации для сплавов ВТ6 и ВТ6С составляли ~ 10%, а для ВТ23 — 29%. Следует отметить, что с увеличением степени легированности сплава и размера полуфабриката разброс значений механических свойств, особенно характеристик пластичности, увеличивался.

В результате металлографического исследования образцов установлено, что для крупногабаритных полуфабрикатов характерна крупнозер-нистость и неоднородность структуры. Размер зерен в образцах из сплава ВТ23 был от 1 до 3 мм, в отдельных случаях доходил до 10 мм, а из ВТ3-1 — от 1 до 5 мм, размер колоний составлял от 50 до 360 мкм для сплава ВТ23 и от 60 до 220 мкм для сплава ВТ3-1. Как следует из приведенных данных, значения геометрических параметров структуры находились в достаточно широких пределах. Это обусловливало и нестабильность механических свойств.

Рассматриваемые титановые сплавы являются многокомпонентными системами, в состав которых входят элементы, отличающиеся по своей природе, а-стабилизаторы (А1, О), изоморфные Р-стабилизаторы (Мо, V), эвтектоидообразующие Р-стабилизаторы (Бе, 81). Растворимость легирующих элементов в а- и р-фазах, по данным [1], приведена в таблице 4, как видно, ее значения в разных фазах резко отличаются. Следовательно, фазовые превращения при охлаждении слитка, обработке давлением и термической обработке сопряжены с перераспределением легирующих элементов между фазами. Диффузионные же процессы в титановых сплавах затруднены, так как легирующие элементы образуют в титане твердые растворы замещения и имеют невысокие коэффициенты диффузии. Поэтому повышение степени легированности сплава может способствовать увеличению неоднородности распределения легирующих элементов, а следовательно, и нестабильности свойств.

Таблица 4 — Растворимость легирующих элементов в а- и р-фазах титана

Элемент Растворимость, % масс.

а-фаза Р-фаза

А1 6,0

V 3,3 (600 °С) 0-100

Мо 0,75 (600 °С) 0-100

Бе 0,02

0,2

Для изучения влияния режимов термической обработки на уровень и стабильность механических свойств определяли механические характеристики и коэффициенты их вариации термо-обработанных образцов сплавов ВТ3-1 и ВТ6С. Образцы, вырезанные из крупногабаритной поковки из сплава ВТ3-1, термообрабатывали по двум вариантам — закалка + старение и изотермический отжиг. Образцы сплава ВТ6С, вырезанные из листов толщиной 10 мм одной плавки, отжигали. В таблице 5 приведены результаты этих исследований.

Как следует из таблицы 5, после изотермического отжига, как и ожидалось, прочность образцов была ниже, чем после закалки и старения, а относительное удлинение и ударная вязкость — выше. Коэффициенты вариации для предела прочности составляли 2,3 и 4,4% после изотермического отжига и упрочняющей термообработки соответственно; для относительного удлинения их значения равнялись 10,4 и 37,1%, а для ударной вязкости — 11,8 и 16,4%. Таким образом, все механические характеристики были стабильнее после изотермического отжига. Известно, что закалкой в сплаве ВТ3-1 от температуры 850 °С фиксируется метастабильная р-фаза с микрообъемами различной степени легированно-сти. При старении они могут распадаться по-разному, что и обусловливает неоднородность металла и, следовательно, разброс его механических свойств. Разработкой режимов термической обработки этих полуфабрикатов удалось добиться

повышения уровня и стабильности механических свойств.

Отжиг сплава ВТ6С снимал напряжения и уменьшал количество дефектов кристаллической решетки, что подтверждено уменьшением ширины интерференционных линий а- и р-фаз. Во время отжига происходило перераспределение легирующих элементов и формирование более однородной структуры. Это способствовало повышению пластических характеристик и некоторой их стабилизации. Коэффициенты вариации относительного удлинения уменьшились от 12 до 7%, а относительного сужения — от 10,6 до 6,9% в отожженном состоянии по сравнению с исходным.

Таким образом, в результате проведенных исследований установлено, что для титановых сплавов характерна нестабильность механических свойств, в большей мере для показателей пластичности. Это обусловлено как природой и физико-химическими свойствами титана, так и особенностями технологических процессов получения и обработки его сплавов.

Титан имеет низкую теплопроводность (таблица 6), в 4 раза меньшую, чем у железа и почти в 15 раз меньшую, чем у алюминия при теплоемкости несколько большей, чем у железа. Это затрудняет равномерный прогрев и охлаждение при обработке титановых сплавов.

Наличие полиморфного превращения, разная растворимость легирующих элементов в а- и Р-фазах, затрудненность диффузионного перерас-

Таблица 5 — Влияние режимов термической обработки сплавов ВТ3-1 и ВТ6С на механические свойства и их стабильность

Сплав Режим термообработки Предел прочности Относительное удлинение Относительное сужение Ударная вязкость

Среднее МПа К % Среднее, % К % Среднее, % К % Среднее МДж/м2 К %

ВТ3-1 900 °С, 1 час, перенос 600 °С 3 час 1085 2,3 16,5 10,4 36 12,6 0,53 11,8

850 °С, 1 час, закалка 610 °С 3 час 1171 4,4 7,7 37,1 - - 0,33 16,4

Рекомендованный режим 1170 2,1 7,8 22,8 13 25 0,33 13,9

ВТ6С ВТ6С исх 935 0,8 9,3 12 30 10,6 - -

ВТ6С, 870 °С, 1 час 867 0,7 12,3 7 35 6,9 - -

Таблица 6 — Некоторые сравнительные характеристики металлов

Металл Удельная теплоемкость, Дж/кг-К Удельная теплопроводность Вт/м-К

Титан 519 16

Алюминий 900 238

Железо 444 73,3

1727-0219 Вестник двигателестроения № 1/2009

— 127 —

пределения легирующих элементов замещения обусловливают формирование неоднородностей в микрообъемах металла при обработке давлением и термической обработке.

Наиболее распространенный способ плавки титановых сплавов — вакуум-дуговой с расходуемым электродом в виде «слоеного пирога», обусловливает образование химической неоднородности и крупнозернистой структуры в литом металле, которые трудно устраняются при дальнейшей обработке.

Следовательно, для обеспечения стабильности свойств титановых изделий необходимо так оптимизировать параметры технологических процессов на всех этапах их изготовления — от плавки до термической обработки, чтобы повысить дисперсность, однородность структуры и распределения легирующих элементов в микрообъемах металла. Решение этой проблемы для ряда случаев предложено авторами [2-4].

Перечень ссылок

1. Цвиккер У. Титан и его сплавы / У. Цвиккер. — М. : Металлургия, 1979. — 510 с.

2. Декларащйний патент 72159 А Украша, МПК С22Б1/18. Споаб термчно! обробки титано-вих сплав!в / О. М. Шаповалова, I. А. Маркова, О. С. Лавров. — опубл. 17.01.2005, Бюл. № 1.

3. Шаповалов О. М. Модифшатори i модифшу-вання / О. М. Шаповалова, О. В. Шаповалов // Вгсник академи митно! служби Украши. — Д., 2004. — № 1. — С. 62—68.

4. Влияние термической обработки крупногабаритных изделий из титановых сплавов на их структуру и свойства / [А. В. Шаповалов, И. А. Маркова, О. М. Шаповалова, Т. И. Ивченко] // Сб. трудов 5 международной научно-технической конференции «ОТТОМ-5». — Харьков. — 2004. — С. 35—39.

Поступила в редакцию 13.10.2008

ffocnidweHo cmyniHb Hecma6inbHocmi MexamnHux enacmueocmeu Hanie$a6puKamie pi3Hux eudie ma po3Mipie 3 KOHcmpyK^rnux mumaHoeux cnnaeie BT6, BT6C, BT23, BT3-1. ycmaHoe-neHo cymmeeuu po3Kud xapaKmepucmuK naacmmHocmi ma ydapHoi e '.H3Kocmi Memany ecix eudie зaгomoeoк. О6гoeopeнo npmmu HeodHopidHocmi cmpyKmypu ma po3nodiny neeywnux eneMeHmie, omwe, i Hecma6inbHocmi enacmueocmeu.

The article represents a study of a degree of stability of mechanical properties of preformed materials of various kinds and sizes made of BT6, BT6C, BT23, and BT3-1 constructive titanium alloys. A substantial spread of metal ductility and impact strength characteristics has been found in various stock types. The reasons underlying the structure heterogeneity and distribution of alloying elements, i.e. instability of properties, are discussed.