Высокотемпературная ползучесть титана при испытаниях в азотосодержащих средах

УДК 53.072:621.791.4

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ПОЛЗУЧЕСТЬ ТИТАНА ПРИ ИСПЫТАНИЯХ

В АЗОТОСОДЕРЖАЩИХ СРЕДАХ

В.В. Пешков, А.Б. Булков, И.Б. Корчагин

Исследован процесс развития высокотемпературной деформации тонкостенных титановых заготовок с глобулярной микроструктурой в среде аргона и смеси аргона с азотом. Показано, что при использовании смеси аргона с азотом величина деформации образцов значительно снижается, за счет образования на их поверхности нитридных слоев. Путем аппроксимации результатов расчета получены выражения для оценки кинетики деформации и скорости ползучести образцов. Установлен диапазон изменения параметров режима сварки, в котором целесообразно использование аргоно-азотной смеси для снижения накопленной деформации тонкостенных конструкций при диффузионной сварке

Ключевые слова: титановые сплавы, тонкостенные конструкции, аргоно-азотная смесь, деформация, упрочнение

Существенным фактором, влияющим на высокотемпературную ползучесть металлов, является состояние их поверхности.

В работе [1] обобщены исследования по влиянию поверхностных пленок на жаропрочные свойства металлов. Испытаниями образцов из монокристаллов цинка, кадмия, алюминия и меди было установлено, что наличие на их поверхности оксидных пленок снижает скорость ползучести.

При испытаниях поликристаллических образцов часто получают противоречивые результаты. Для одних и тех же металлов в одних случаях пленка значительно повышает сопротивление ползучести, в других - не оказывает никакого влияния и, наконец, может оказывать разупрочняющее действие [1].

Скорость ползучести поликристаллического алюминия в зависимости от толщины оксидной пленки имеет экстремальный характер. При увеличении толщины пленки от 0 до 30 мкм скорость ползучести резко падает, а при увеличении толщины пленки более 30 мкм начинает расти [1].

Такая закономерность действия пленки на подложку является результатом двух конкурирующих процессов: с одной стороны, пленка препятствует выходу дислокаций на поверхность подложки, что в условиях ползучести приводит к уменьшению плотности подвижных дислокаций в приповерхностных слоях; с другой стороны, пленка сама служит источником дислокаций [1]. То есть при небольшой толщине пленки она будет упрочнять подложку, а при большой - разупрочнять.

Исследования, выполненные в работе [2], показали, что азотирование может быть эффективным средством повышения сопротивления высокотемпературной деформации титановых сплавов.

Экспериментальные исследования проводили в интервале температур 900 - 1000 °С и напряжений

Пешков Владимир Владимирович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, e-mail: otsp@vorstu.ru

Булков Алексей Борисович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, e-mail: bulkov ab@mail.ru

Корчагин Илья Борисович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, e-mail: otsp@vorstu.ru

сжатий от 1,0 до 4,0 МПа. Давление к образцу прикладывали после достижения им температуры испытания. В процессе испытания образец находился в среде аргона или в газовой смеси аргона (99 %) с азотом (1,0 %).

Ползучесть в среде аргона На рис. 1 приведены типичные кривые ползучести сплава ВТ6 с исходной глобулярной микроструктурой. На кривых еА=ф(т) присутствуют два участка, соответствующие неустановившейся и установившейся стадиям ползучести. Скорости установившейся ползучести ¿Л, вычисленные по линейным участкам зависимостей еА=ф(т), с повышением температуры возрастают. Независимо от атомного механизма, контролирующего массопере-нос при высокотемпературной деформации металлов, скорость ползучести является экспоненциальной функцией температуры [2, 3]:

£ ~ ехр^т,

где Q - энергия активации процесса, контролирующего ползучесть.

11

6

4

2

0 12 3 г-10\с

Рис. 1. Кривые ползучести сплава ВТ6 при испытании в среде аргона при температурах, °С: 1-900; 2-950; 3-1000 и напряжении сжатия 2 МПа

Опытные данные в координатах 1п£л -1/Г укладываются на прямые линии (рис. 2), из тангенса угла наклона которых следует, что эффективная энергия активации процесса ползучести сплава ВТ6 в интер-

вале температур 900-1000 °С составляет 240 кДж/моль.

ЬпЁА

10

-11

-12

8 8,2 8,4 1 Т ИГ Рис. 2. Температурная зависимость скорости ползучести сплава ВТ6 при напряжениях, МПа: 1-1,0; 2-2,0 и 3-3,0

Энергия активации ползучести сплавов: ОТ4 (7=800-950 °С); ВТ14 (Т =850-950 °С); ВТ5 (Т =900-975 °С) и ВТ20 (Т =900-1000 °С) составляли 230, 234, 255 и 318 кДж/моль, соответственно [5].

В зависимости от атомного механизма, контролирующего установившуюся ползучесть, скорость течения металлов обычно находится либо в линейной (г ~р), либо в степенной (г ~рп), либо в экспоненциальной (£ ~ехр(-ур/К7)) зависимости от напряжения [4].

Экспериментальные значения скорости ползучести сплава ВТ6 при постоянных температурах укладываются на прямые линии в логарифмических координатах 1п ¿А - 1п р с тангенсом угла наклона 1,2 (рис. 3).

-10 и

-12

0 0,2 0,6 1 Ьпр

Рис. 3. Логарифмическая зависимость скорости ползучести сплава ВТ6 от напряжения при температурах, °С: 1-900; 2-950; 3-1000

Аналогичные зависимости е =ф(р) наблюдались и на титановых сплавах ОТ4, ВТ5, ВТ14 и ВТ20 при их испытаниях в вакууме при температурах ниже окончания полиморфного превращения [5, 6].

Установленные закономерности высокотемпературной деформации сплава ВТ6 и их сопоставление с более ранними исследованиями ползучести титана другими авторами [5] дают основание считать, что ползучесть сплава ВТ6 в среде аргона так же, как и вакууме, осуществляется по механизму

вязкого течения, контролируемого диффузионными процессами, развивающимися по границам зерен.

Оценку скорости ползучести сплава ВТ6 в интервале температур 900-1000 °С и напряжении 1,03,0 МПа можно проводить по выражению:

еА = 1,8 -105 • р1,2 • ехр(- 240000/RT), с-1. (2) Ползучесть в газовой смеси аргона с азотом На рис. 4 приведены типичные кривые ползучести сплава ВТ6 с исходной глобулярной микроструктурой в смеси аргона (99 %) с азотом (1,0 %).

Ем, %

2 1

1 2 3 Т"1' '. с

Рис. 4. Кривые ползучести сплава ВТ6 в смеси газов Аг

(99 %) и N2 (1,0 %) при температурах, °С: 1 - 900; 2 - 950; 3 - 1000 и напряжении сжатия 2 МПа

Сопоставление зависимостей е^=ф(т) с данными, полученными при тех же параметрах (Т, р и т), но в среде аргона, выявляет две принципиальные особенности:

- величина деформации при добавлении азота к аргону значительно снижается;

- кинетические кривые (рис. 4) носят затухающий характер.

Это связано с процессом взаимодействия сплава ВТ6 с азотом, содержащимся в газовой смеси, и формированием на поверхности образцов нит-ридных слоев, препятствующих развитию деформации. Обработка опытных данных е^=ф(т) в логарифмических координатах 1п ё - 1п т (рис. 5) дает основание считать, что процесс ползучести может быть описан уравнением параболы:

ем = Ке

где Ке - константа деформации, которую при постоянном напряжении в соответствии с представлением о диффузионном характере процесса и опытными данными следует считать экспоненциальной функцией температуры; численные значения Ке для температур 900, 950 и 1000 °С составляют, соответственно: 1,4610-5; 4,4510-5 и 1,2410-4 с-1; т -показатель степени, равный 0,7 и определяемый по тангенсу угла наклона прямых (рис. 5): 1п ек = 1п Ке + т 1п т.

6

6 7 8 Ъпт

Рис. 5. Зависимость 1п е^/р(1п г) при температурах, °С: 1-900; 2-950; 3-1000 и напряжении 2 МПа

Зависимость 1п Ке от 1/Т представляет собой прямую линию (рис. 6), из углового коэффициента которой следует, что эффективная энергия активации процесса ползучести сплава ВТ6 в газовой смеси аргона с азотом составляет 265 кДж/моль, что значительно больше эффективной энергии активации процессов взаимодействия титана с азотом, приводящих к росту нитридов (170 кДж/моль), охрупченных слоев (203 кДж/моль) и газонасыщенных слоев (197 кДж/моль), но достаточно близко к энергии активации ползучести этого же сплава в среде аргона, которая равна 240 кДж/моль.

-9

10

11

7,8 8 8,2 8,4 1/Т104 Рис. 6. Зависимость 1п К£ =д>(1/Т) при постоянном сжимающем давлении р=2 МПа

Для того, чтобы судить о механизме ползучести сплава ВТ6 в смеси газов аргона с азотом, следует установить зависимость деформации от приложенного напряжения.

На рис. 7 приведены кривые е=ф(т), полученные при температуре 950 °С и напряжениях от 1,0 до 4,0 МПа.

Эти кривые носят затухающий характер и могут быть аппроксимированы выражением:

ем=Кр-т0,\

где Кр - константа, которая при постоянной температуре является функцией напряжения.

Численные значения Кр, полученные по зависимости (3.4) при известных из экспериментов еы и т (см. рис. 7) приведены в таблице.

р, МПа 1,0 2,0 3,0 4,0

кг 7,810- 4,45 10- 1,210- 2,510-

с

I а

4

3 2 1

0 12 3 т~ I 1 '. с

Рис. 7. Кривые ползучести сплава ВТ6: в смеси газов Аг (99%) и М2 (1,0%) при температуре 950 °С и напряжениях, МПа: 1-1,0; 2-2,0; 3-3,0 и 4-4,0

Из сопоставления значений Кр и соответствующих им р видно, что эти величины находятся не в пропорциональной, а в степенной зависимости, т.е.

Кр~рп.

В координатах 1п Кр - 1п р значения Кр укладываются на прямую линию, из углового коэффициента которой следует, что п =2,5 (рис. 8).

ЬпКр

-9 -10 11

0 0,5 1 Ьпр

Рис. 8. Зависимость 1п Кр = /р(1п р) при температуре испытания 950 °С

Установленная зависимость Кр~р2'5 дает основание считать, что процесс деформации титана в смеси аргона с азотом осуществляется не по механизму вязкого течения, как это происходило при испытаниях на ползучесть в среде аргона, а за счет движения дислокаций, контролируемого диффузией.

Кинетика деформации сплава ВТ6 и скорость его ползучести в смеси аргона с азотом в исследованном интервале температур и напряжений могут быть описаны выражениями:

еи = 1,7 • 106 • р2,5 • ехр (- 265000/ RT )-т0'7, (5) ае

Еи = е = 1,2 • 106 • р2-5 • ехр(- 265000/ЯТ)т"0-3-<!т

Наглядное представление о влиянии длительности и температуры испытания на скорость ползу-

ад

чести дают зависимости ц = ср{т), приведенные на рис. 9.

е| I 'Г. I с

20 15 10

0 1000 2000 3000 г-1'1 I с

Рис. 9. Зависимость скорости ползучести от длительности испытания при напряжении 2,0 МПа и температурах, °С:

1; 1'- 900; 2; 2'- 950 и 3; 3'- 1000 °С; сплошная линия - испытание в смеси газов Аг (99 %)+ М2 (1,0 %); прерывистая - испытание в среде аргона

Из этих зависимостей видно, что с течением времени скорость ползучести уменьшается, при этом наиболее интенсивное уменьшение ¿м наблюдается на начальных этапах испытания.

Согласно [1], первостепенную роль в развитии пластической деформации играют поверхностные слои. Поэтому уменьшение скорости ползучести при испытаниях в смеси аргона с азотом, в первую очередь, следует связывать с процессом взаимодействия титана с азотом, которые сопровождаются образованием на поверхности титана нитридов, охрупченных и газонасыщенных слоев. Наибольшую роль в уменьшении ¿м вначале, очевидно, играет процесс образования нитридных пленок, появление которых при Рдг>103 Па предшествует образованию охрупченных и газонасыщенных слоев. Нитриды блокируют поверхностные источники дислокаций и препятствуют выходу дислокаций от внутренних источников на поверхность, тем самым снижая скорость развития деформации.

С практической точки зрения, целесообразно оценить эффективность снижения величины деформации при использовании вместо аргона его смеси с азотом.

Из (2) следует, что, если не учитывать неустановившуюся стадию ползучести, то развитие деформации еА=ф(р, Т, т) в среде аргона будет описываться выражением:

е А = 1,8 • 105 • р1,2 • ехр(- 240000^Т)т, (6) а развитие деформации в смеси аргона с азотом ед/=ф(р, Т, т) описывается (5).

Тогда результаты сравнения еА и е№ показывающие во сколько раз еА больше ем при заданных параметрах режима, можно оценить по зависимости: е А/еи = 1,05 • 10-1 • р• ехр

Зависимости, построенные по выражению (7), приведены на рис. 10. Из анализа (7) и зависимостей (рис. 10) следует, что с повышением сжимающего

напряжения р разница между еА и ек существенно уменьшается, и при р>3,5 МПа эти величины становятся близкими. Полученные результаты согласуются с положениями работы [1] о том, что инородные пленки при деформации повышают критическое напряжение сдвига. Поэтому при увеличении р облегчается преодоление дислокациями барьеров, которыми являются поверхностные пленки и слои.

р, МПА ? = 900 °С

4

3

2

1

1000 2000 3000 Т,с

а

р, МПА г = 950 °с

4

3

2

1

1000 2000 3000 Т, с б

р, МПА I = 1000 °С

4

3

2

1

1000 2000 3000 т,с в

Рис. 10. Зависимости результатов еА/ем (где еА и ем - деформации при испытании на ползучесть в среде аргона и газовой смеси аргона с азотом, соответственно) от сжимающих давлений р и длительности испытаний т: а - при 900 °С; б - при 950 °С; в - при 1000 °С

Из полученных результатов следует, что снижение накопленной деформации при термообработке тонкостенных конструкций за счет применения

газовой смеси аргона с азотом для создания давлений целесообразно только при р<3,5 МПа.

Из рис. 10 также видно, что с повышением длительности испытания разница между еА и ек увеличивается. Например, при р = 2 МПа увеличение т от 1000 до 2000 с приводит к увеличению разницы между еА и ем с 4 до 5 раз. Такое влияние т следует связывать с развитием при испытании на ползучесть процесса взаимодействия титана с азотом, при котором рост поверхностных слоев с повышенным содержанием азота пропорционален т0,5.

Из анализа зависимости (7) видно, что повышение температуры хотя и незначительно, но все-таки приводит к уменьшению разницы между еА и едг. Можно предположить, что это связано с развитием двух одновременно протекающих термически активируемых процессов с различными энергиями активации, например, роста газонасыщенных слоев, приводящих к уменьшению ек, и увеличению подвижности дислокаций, приводящему к обратному эффекту. Но для более обоснованного объяснения зависимости еА/е^=ф(Т) требуется проведение дополнительных исследований.

Воронежский государственный технический университет

Литература

1. Крамер И. Влияние среды на механические свойства металлов [Текст] / И. Крамер, Л. Демер. М.: Металлургия, 1964. 131 с.

2. Азотирование и его влияние на свойства титанового сплава ВТ20 [Текст] / А.В. Пешков, В.Ф. Селиванов, В.Р. Петренко, А.В. Кравцов // Сб.: Сварка и родственные технологии в машиностроении и электронике. - Воронеж: Воронежский государственный технический университет, 2005. - С. 64 - 76.

3. Гарофало Ф. Законы ползучести и длительной прочности металлов [Текст] / Ф. Гарофало. М.: Металлургия, 1968. 304 с.

4. Розенберг В.М. Основы жаропрочности металлических материалов [Текст] / В.М. Розенберг. М.: Металлургия, 1973. - 326 с.

5. Бондарь А.В. Диффузионная сварка титана и его сплавов [Текст] / А.В. Бондарь, В.В. Пешков, Л.С. Киреев. Воронеж: Изд-во ВГУ, 1998. 256 с.

6. Диффузионная сварка титана [Текст] / Э.С. Каракозов, Л.М. Орлова, В.В. Пешков и др.; под ред. Э.С. Каракозова. М.: Металлургия, 1977. 272 с.

HIGH-TEMPERATURE CREEP OF TITANIUM WHEN TESTED IN AN ENVIRONMENT CONTAINING NITROGEN

V.V. Peshkov, A.B. Bulkov, I.B. Korchagin

The process of high temperature deformation of thin-walled titanium billet with a globular microstructure in argon and a mixture of argon and nitrogen. It is shown that by using a mixture of argon and nitrogen samples deformation quantity is greatly reduced due to the formation on the surface of the nitride layers. By approximating the results of calculation expressions are obtained to assess the kinetics of deformation and creep speed samples. Established range of the welding parameters, in which it is advisable to use an argon-nitrogen mixture to reduce accumulated deformation of thin-walled structures with diffusion welding

Key words: titanium alloys, thin-walled structures, argon-nitrogen mixture, deformation, hardening