Влияние атао на свойства деформированных титановых сплавов

УДК 669.1

Влияние АТАО на свойства деформированных титановых сплавов

В. Н. Усков, Г. А. Данилин, Г. А. Воробьева, А. В. Титов, Е. Ю. Ремшев, Ю. С. Кукуня

Рассмотрены основные свойства пружинных сталей и титановых сплавов. Выделено перспективное направление повышения прочностных свойств пружинных материалов. На основе результатов оценки релаксационной стойкости установлена взаимосвязь микроструктуры и суммарной АЭ. Предложен метод повышения релаксационной стойкости — аэротермоакустическая обработка (АТАО).

Ключевые слова: таэротермоакустическая обработка, микроструктура, титановые сплавы, механические свойства, технологические свойства.

Пружины применяются в различных областях машиностроения и приборостроения. Комплекс требований, предъявляемых к упругим элементам, определяется условиями их эксплуатации.

Основное свойство пружинных сталей и сплавов — высокое сопротивление малым пластическим деформациям в условиях кратковременного (предел упругости) и длительного (релаксационная стойкость) нагружения. Эти свойства зависят от состава и структуры материала, а также от внешних условий (температуры, коррозионной активности окружающей среды и др.).

Между сопротивлением малым пластическим деформациям и пределом выносливости, степенью развития таких неупругих эффектов, как амплитудно-чувствительное внутреннее трение, упругое последействие и упругий гистерезис существует доказанная взаимосвязь. Таким образом, сопротивление малым пластическим деформациям определяет весь комплекс свойств пружинных сталей и сплавов. Для достижения высокого сопротивления малым пластическим деформациям необходимо обеспечить высокую плотность и равномерное распределение дислокаций, высокую степень их закрепления, чтобы затормозить начальную стадию пластической деформации по любому из возможных ее механизмов. Указанное структурное состояние может быть достигнуто разными механизмами упрочнения, основанными на протекании мартенситного превращения, выделении избыточной высоко-

дисперсной фазы, внутрифазовых превращениях с образованием ближнего упорядочения, использовании деформационного наклепа.

Титановые а + Р-сплавы упрочняются закалкой и последующим старением, в процессе которого выделяются дисперсные фазы. Рост сопротивления малым пластическим деформациям связан с изменением субструктуры матрицы и блокирующим действием частиц (областей) избыточной фазы. Дополнительное повышение прочностных свойств может быть достигнуто в результате пластической деформации после закалки, за которым следует старение. В этом случае распад пересыщенного твердого раствора в ряде сплавов идет по прерывистому механизму. Прерывистый распад может обеспечить значительное упрочнение, если он охватывает каждое зерно, что возможно при исходной мелкозернистой структуре. В процессе старения на прерывистый распад дополнительно измельчаются зерна исходного твердого раствора.

Наиболее перспективным направлением для получения высоких прочностных свойств у существующих сплавов и при создании новых высокопрочных пружинных сплавов является совмещение нескольких структурных механизмов упрочнения. В этом случае эффективность их влияния на свойства сплавов возрастает.

Пружинные титановые сплавы имеют ряд преимуществ по сравнению с пружинными сталями, что определяется их меньшей плотностью, низким модулем упругости, высокими

новые материалы и технологии производства

ШШШМБОТКА

прочностными и упругими свойствами, высокой коррозионной стойкостью. Свойства сплава для пружин определяются не только химическим составом сплава, но и технологией получения полуфабриката и режимами упрочняющей обработки. При нарушении технологии термической обработки (температура нагрева, время выдержки, режим охлаждения) как на стадии закалки, так и на стадии старения формируется структура, не обеспечивающая необходимого комплекса механических свойств пружинного сплава. Для обеспечения надежности упругих элементов в процессе эксплуатации их подвергают различным испытаниям.

Тарельчатые пружины (ТП) в зависимости от вида нагрузки в процессе эксплуатации подвергают воздействию статических нагрузок или статических и циклических до установленного ГОСТом числа циклов.

В работе [1] показана перспективность использования метода акустической эмиссии (АЭ), являющегося методом неразрушающего контроля, для выявления внутренних дефектов в ТП, изготовленных из сплава ВТ 23. Пружины исследовали после циклических испытаний. Экспериментальную ТП устанавливали на стенд, помещенный в рабочую зону испытательной машины. Датчик для регистрации сигналов АЭ устанавливали на образце (ТП).

В процессе испытаний производилось:

• кратковременное обжатие (нагрузка ТП до силы, соответствующей рабочей с последующей разгрузкой) 3 раза с интервалом не более 15 мин; в процессе обжатия регистрировали сигналы АЭ с помощью прибора «Лок-тон-2004»;

• выдержка ТП при постоянной силе в течение длительного времени (не более 72 ч) по схеме, указанной выше для кратковременного обжатия; сигналы АЭ и значения силы сжатия ТП регистрировались в процессе их нагрузки и выдержки; для оценки и прогнозирования релаксационной стойкости ТП выбрано суммарное количество импульсов АЭ (САЭ) N — количество зарегистрированных случаев, когда сигналы АЭ превышают установленный уровень ограничения (дискриминации) за определенный интервал времени — 39 дБ.

Максимальная сила обжатия пружин в процессе исследования при кратковременном на-гружении 5 т. Результаты исследования ТП представлены в табл. 1.

Согласно экспериментальным данным, приведенным в табл. 1, значение САЭ у пружин

3-6 и 3-8 изменялось следующим образом при каждом последующем обжатии:

N^1 > ^ах2 < ^ах3,

у ТП 3-7 значение САЭ уменьшалось при каждом последующем обжатии:

N^1 > N^2 > N^3.

Значения САЭ варьировались для каждой из пружин этой группы, что подтверждает возможность использования метода АЭ для качественной оценки ТП.

В табл. 2 представлены экспериментальные данные, полученные в процессе выдержки ТП из группы 3 в течение длительного времени (72 ч).

Как видно из приведенных результатов, значения САЭ не превышают 33 импульсов в процессе выдержки пружин ТП 3-6, ТП 3-7; значение САЭ значительно увеличилось в процессе выдержки ТП 3-8. Пружина ТП 3-8 подвергалась дополнительным испытаниям — выдержке при постоянной силе, при этом в процессе выдержки наблюдался значительный прирост САЭ. Проведенные дополнительные исследования позволили выявить у ТП 3-8 предрасположенность к развитию внутренних дефектов. При длительной выдержке ТП 3-6 и ТП 3-7 количество импульсов АЭ при приложении нагрузки составляло соответственно

Таблица 1

Значения сигналов АЭ в процессе обжатия ТП группы 3

№ образца пружины Общее количество импульсов АЭ Nmax при ¿-м обжатии Интервал времени между обжатиями, мин

N 1 тах N 2 тах ^ах3

3-6 595 115 140 10

3-7 184 19 7

3-8 197 24 26

Таблица 2

Значения сигналов АЭ в процессе нагружения и выдержки ТП группы 3 при постоянной силе 10 т, выдержка 72 ч

№ образца Общее число импульсов АЭ

3-6 5

3-7 11

3-8 848

3-8* 2099

* Повторное нагружение.

320 и 1870. Можно предположить, что ТП 3-6 будет иметь меньшую склонность к релаксации напряжений, чем ТП 3-7. У последней пружины выявлена предрасположенность к образованию внутренних дефектов. Альтернативные испытания выявили у ТП 3-7 и ТП 3-8 наличие значительной релаксации.

Полученные экспериментальные закономерности позволяют говорить о возможности применения метода АЭ для качественной оценки релаксационной стойкости тарельчатых пружин.

Представляло интерес исследовать микроструктуру сплава тарельчатых пружин ТП 3-6 и ТП-7 после проведенных исследований для оценки влияния микроструктуры на значение и распределение сигналов АЭ. Образцы для изготовления микрошлифов вырезали из пружин ТП 3-6 и ТП 3-7, прошедших указанные выше исследования по методу АЭ. Микроструктуру исследовали на металлографическом комплексе «Альтамимет». Микроструктура сплава ВТ23, прошедшего термическую обработку [по режиму: закалка с температуры

Рис. 1.

850 °С, выдержка 1 ч, охлаждение в воде, последующее старение при температуре 550 °С, 10 ч охлаждение на воздухе — стандартная термическая обработка (СТО)], представлена на рис. 1. Микроструктура образца из ТП 3-6 после СТО состоит из а-фазы, равномерно распределенных, преимущественно некрупных и мелких, пластин, Р-фазы и мелких глобулей вторичной а-фазы (рис. 1, а). Микроструктура образца из ТП 3-7 после СТО состоит из а-фазы, неравномерно распределенных, преимущественно крупных пластин, Р-фазы и более крупных, чем у образца ТП 3-6, глобулей вторичной а-фазы (рис. 1, б).

Таким образом, микроструктура сплава образца из ТП 3-6 значительно более дисперсная, чем у образца из ТП 3-7. Рост сопротивления малым пластическим деформациям и, следовательно, высокая релаксационная стойкость связаны с блокирующим действием частиц (областей) а + Р-фаз титанового сплава; при этом степень блокировки дислокаций возрастает по мере возрастания дисперсности фаз. Следовательно, большая степень дисперсности фаз сплава ВТ23 в образце из ТП 3-6 обеспечивает и более высокую релаксационную стойкость сплава ТП.

Ранее выполненные исследования показали, что аэротермоакустическая обработка (АТАО), применяемая как дополнительная обработка после СТО, позволяет существенно повысить характеристики прочности деформируемого сплава ВТ14 (табл. 3) [2].

Как видно из приведенных данных, прочностные свойства сплава ВТ14 возрастают после всех видов термической обработки, но в большей степени это наблюдается для сплава, прошедшего закалку и старение. Прочность при этом возрастает на 30 % без снижения пластичности.

Аэротермоакустическая обработка материалов относится к числу комбинированных средств воздействия на материалы. При ее проведении осуществляется воздействие температурных и акустических полей в целях формирования свойств материалов в желаемом направлении как во всем объеме (например, глубина упрочненного слоя определяется прокаливаемостью стали), так и в поверхностном слое.

АТАО как упрочняющая обработка представляет собой организованную определенным образом термообработку в мощном акустическом поле звукового диапазона частот при одновременном воздействии потока газа в диа-

ЕТАПЛООБРАБОТК]

Таблица 3

Механические свойства сплава ВТ14 после СТО и СТО с дополнительной АТАО

Термическая обработка Механические свойства после стандартной термической обработки Дополнительная обработка Механические свойства после обработки

°0,2 8 Температура нагрева-охлаждения °С Среда охлаждения °0,2 8

МПа % МПа %

Отжиг 750-800 °С 980 «870 10 от -10 до -20 Поток воздуха + акустическое поле 1160 1040 14

Состояние поставки 1030 890 10 1070 960 12

Закалка 850-880 1275 1070 18 1450 1270 18

Закалка, старение 480-500, 12 ч. 1280 1180 6-8 1650 1540 8,3

пазоне скоростей от десятка до сотен метров в секунду. При этом охлаждение металла может проводиться до отрицательных температур в расширяющемся потоке газа, т. е. дополнительно реализуется криогенная обработка [2].

В связи с этим целесообразно изучить возможность повышения релаксационной стойкости сплава ВТ23 при применении АТАО. С этой целью образцы, вырезанные из сплава ВТ23 (ТП 3-7), подвергались АТАО с последующим изготовлением микрошлифов. Микроструктура сплава ВТ23 после АТАО представлена на рис. 2; она состоит из дисперсной глобулярной а-фазы и областей с короткими пластинами, Р-фазы; т. е. структура сплава после АТАО более дисперсная, чем в исходном состоянии (см. рис. 1, б). Можно предположить, что АТАО, обеспечивая получение более дисперсной структуры а + Р-фаз, изменение субструктуры матрицы, повысит и релаксационную стойкость ТП.

В связи с этим исследовалось влияние АТАО на релаксационную стойкость ТП из сплава ВТ23. Дополнительной АТАО подвергались ТП из сплава ВТ23, изготовленные по стандартной технологии и прошедшие термическую обработку по указанным выше режимам СТО — группа ТП 3 (ав = 1560 МПа). Группа ТП 4 (ав = 1325 МПа) отличалась от группы ТП 3 температурными режимами термической обработки. ТП 2 после СТО показали физико-механические свойства, непригодные для эксплуатации в течение длительного периода, что, возможно, связано с влиянием исходной структуры сплава. Предварительные исследования ТП2, ТП 3-2, ТП 3-8, ТП 4 выявили предрасположенность к развитию внутренних дефектов, что может привести

к значительной релаксации и делает их непригодными для эксплуатации в течение длительного времени.

АТАО пружин, перечисленных выше, осуществлялась путем нагрева до температуры, не превышающей температуру старения, выдержки в течение 10 мин и охлаждения в камере генератора звука. При этом на материал воздействовало акустическое поле с частотой 0,4-2 кГц и уровнем звукового давления 160-180 дБ. После АТАО осуществлялась качественная оценка релаксационной стойкости ТП методом АЭ по вышеизложенной методике. Результаты испытания приведены в табл. 4.

Как следует из приведенных результатов, релаксационная стойкость пружин ТП 2 и ТП 3-2 после обработки выше, чем у ТП 4 и ТП 3-8 при обработке по режиму АТАО-2, который отличается от режима АТАО-1 меньшим временем выдержки при температуре нагрева и ускоренным режимом охлаждения.

Рис. 2.

Таблица 4

Значения сигналов АЭ в процессе нагружения и выдержки ТП при проведении испытаний

№ образцов Вид обработки Количество сигналов АЭ при кратковременном обжатии Заневоливание Значение силы поджатия после циклических нагрузок** в количестве Релаксация Я, %, ТП***

Количество сигналов АЭ Р* кН Р нач> кН С = 500 С = 1000 С = 1500

1 2 3

ТП 3-8 АТАО-2 789 782 491 36 37,13 36,98 36,39 36,01 2,62

ТП 2 АТАО-1 1789 1796 1946 16 35,34 34,75 34,35 34,06 1,99

ТП 3-2 948 436 329 66 33,54 32,96 33,3 33,54 1,76

ТП 4 * Значен 1500 цикл АТАО-2 ие силы под ов в интервал 833 жатия п е100-1 1503 осле вы 30 кН. 1621 держки 999 ТП в течение 33,4 72 ч. ** Инт 32,71 ервал нагр 32,71 узок 100-1 31,93 60 кН (Рко 2,38 н); *** После

Таким образом, применение АТАО в качестве дополнительной обработки для ТП, имеющих предрасположенность к развитию внутренних дефектов (по результатам неразруша-ющего контроля — методики прогнозирования релаксационной стойкости ТП с учетом распределения сигналов акустической эмиссии [1]), позволяет повысить релаксационную стойкость ТП из сплава ВТ23.

Выводы

Проведенные исследования показывают:

• возможность использования АТАО, применяемой после полного цикла термической обработки, для улучшения релаксационной стойкости ТП из сплава ВТ23, что связано с увеличением степени дисперсности а + Р-фаз титанового сплава и их равномерным распределением после этой обработки;

• целесообразность продолжения исследования по изучению влияния АТАО на микро-

структуру и, следовательно, функциональные свойства сплава ВТ23, что позволит оптимизировать режимы АТАО;

• возможность использования метода АЭ для качественной оценки релаксационной стойкости тарельчатых пружин, а также необходимость проведения дополнительных исследований в целях обеспечения количественной оценки указанного параметра.

Литература

1. Данилин Г. А., Титов А. В., Ремшев Е. Ю. Методика прогнозирования релаксационной стойкости тарельчатых пружин на основе излучения сигналов акустической эмиссии // Металлообработка. 2011. № 2. С. 17-22.

2. Пат. № 2255137. Способ термической обработки изделия или заготовки из двухфазных титановых сплавов / В. К. Ерофеев, Г. А. Воробьева. 27.06.2005.

3. Инструментальные материалы / Г. А. Воробьева, Е. Е. Складнова, А. Ф. Леонов, В. К. Ерофеев. СПб.: Политехника, 2005. С. 259.

Сведения об авторах

Усков Владимир Николаевич — д-р техн. наук, профессор Балтийского государственного технического университета «Военмех» им. Д. Ф. Устинова; Санкт-Петербург, 1-я Красноармейская ул., д. 1; тел. (812) 251-74-80.

Данилин Геннадий Александрович — д-р техн. наук, профессор кафедры высокоэнергетические устройства автоматических систем Балтийского государственного технического университета «Военмех» им. Д. Ф. Устинова; Санкт-Петербург, 1-я Красноармейская ул., д. 1; тел. (812) 251-74-80.

Воробьева Галина Анатольевна — канд. техн. наук, профессор Балтийского государственного технического университета «Военмех» им. Д. Ф. Устинова; Санкт-Петербург, 1-я Красноармейская ул., д. 1; тел. (812) 251-74-80.

Титов Андрей Валерьевич — канд. техн. наук, доцент Балтийского государственного технического университета «Военмех» им. Д. Ф. Устинова; Санкт-Петербург, 1-я Красноармейская ул., д. 1; тел. (812) 251-74-80.

Ремшев Евгений Юрьевич — заведующий лабораторией Балтийского государственного технического университета «Военмех» им. Д. Ф. Устинова; Санкт-Петербург, 1-я Красноармейская ул., д. 1; тел. (812) 251-74-80, е-шаП: remshev@mail.ru

Кукуня Юрий Сергеевич — аспирант Балтийского государственного технического университета «Военмех» им. Д. Ф. Устинова; Санкт-Петербург, 1-я Красноармейская ул., д. 1; тел. (812)-251-74-80.