Механические свойства структурных композитов из титанового сплава ВТ6

УДК 669.295:621.785

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТРУКТУРНЫХ КОМПОЗИТОВ ИЗ ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ6

© М.Х. Мухаметрахимов

Ключевые слова: низкотемпературная сверхпластичность; слоистые композиты; крупнокристаллический; микрокристаллический и нанокристаллический титановый сплав; твердофазное соединение; прочность; механические свойства.

Проведены эксперименты с использованием наноструктурных материалов в качестве упрочняющего элемента для изготовления трехслойных композитов с различными структурами (нанокристаллической - НК, микрокристаллической - МК и крупнокристаллической - КК) из листового титанового сплава ВТ6 в условиях низкотемпературной сверхпластичности (СП). Установлено, что сохранение сочетания НК, МК и КК структур в слоях при пониженных температурах позволяет получать композитные материалы с повышенными прочностными и пластическими свойствами и достигнуть высокого уровня конструкционной прочности.

Развитие современного машиностроения невозможно без использования передовых конструкционных материалов, имеющих более высокие эксплуатационные свойства по сравнению с существующими материалами. В этой связи большой интерес представляют титановые сплавы.

Повышенные прочностные свойства имеют титановые сплавы с НК структурой по сравнению с МК и КК структурами [1, 2]. Однако изготовление крупногабаритных полуфабрикатов с НК структурой представляет отдельную научную и технологическую проблему. Кроме того, при достижении в сплаве такой структуры с повышением уровня прочности происходит и снижение пластичности.

Одним из способов преодоления этой проблемы является создание композитов, позволяющих уменьшить массу конструкции при сохранении или улучшении ее механических характеристик. Поэтому неудивительно, что разработчики авиатехники перестраивают всю ма-териаловедческую концепцию строительства самолетов, активно привлекая и используя композиты на основе исключительно прочных титановых сплавов.

Создавая различное по структуре сочетание слоев, можно управлять характером разрушения материала и тем самым повышать конструкционную прочность по сравнению с монолитным материалом [3, 4].

Целью представленной работы является разработка на основе результатов экспериментальных исследований методологического подхода к выбору технологических параметров применения НК материалов в качестве упрочняющего элемента для изготовления трехслойных композитов с различными структурами из листового титанового сплава ВТ6 в условиях низкотемпературной СП и оценка прочности и пластичности структурного композита.

Материалом для исследования был выбран промышленный двухфазный титановый сплав ВТ6 стандартного химического состава по ГОСТ 19807-91. КК структура была получена вакуумным отжигом в Р-области при температуре 1000 °С. В качестве упрочняющего элемента взяли титановый сплав ВТ6 с НК

структурой со средним размером зерен/субзерен около 0,3 мкм. Для исследований были изготовлены трехслойные композиты двух типов: 1 - композит с МК и НК структурами, 2 - композит с КК и НК структурами. Соединение листов с различными структурными состояниями, собранных в пакет, выполняли в штампо-вом блоке, включающем силовые плиты и крепежные элементы [5]. Сварку в твердом состоянии осуществляли при различных температурах от 700 до 900 °С в течение 120 мин. приложением газообразного аргона из штуцера через гибкую мембрану на свариваемые образцы.

Металлографические исследования проводили на растровом электронном «TESCAN МША3 LMU».

Для механических испытаний на растяжение и на сдвиг использовали универсальную машину фирмы «Инстрон» модели 5982.

На рис. 1 показана схема получения слоистого композитного материала с различными структурами с применением упрочняющего элемента с НК структурой.

Титановый сплав ВТ6

^

Титановый сплав ВТ6

Рис. 1. Схема получения слоистого композитного материала с различными структурами с применением упрочняющего элемента с НК структурой

Металлографические исследования показали, что после сварки давлением при температуре 900 °С в течение 2 ч размер зерен вырос примерно до 5 мкм (рис. 2а). С понижением температуры сварки до 700 °С наблюдается разнозернистость, обусловленная большим различием размера зерен в соединяемых листовых заготовках и средний размер зерен в прослойке вырос в среднем до 1,2 мкм. Относительная протяженность пор в зоне ТФС при температуре сварки 900 оС составила

1669

0,04, при уменьшении температуры до 700 °С увеличилась и составила 0,18 (рис. 2в).

Исследования такого слоистого композита показали, что с понижением температуры до 700 °С в области предела прочности не происходит расслоения материала. Как мы видим, упрочняющего элемент из титанового сплава ВТ6 с НК структурой придает композиту высокую прочность и при этом воспринимает основную долю нагрузки, а слои с МК и КК структурами придают композиту пластичность и предохраняют ее от возможного разрушения.

Рис. 2. Микроструктура зоны ТФС титанового структурного композита после сварки давлением с применением упрочняющего элемента с НК структурой: а) при 900 °С

Таблица 1

Результаты механических испытаний на растяжение структурного композита из титанового сплава ВТ6 при комнатной температуре

№ Т 1 сварка оС P, Mm т, Mm О0,2, Mm Ов, Mm б, % Примечание

1 B исходных состояниях 1234 1271 б НК

2 1010 1080 12 MK

3 8б4 921 1б КК

4 900 4 2 894 955 19 MK+НK+MK

5 750 5 2 1015 1039 15 MK+НK+MK

б 750 5 2 973 1005 18 КК+НК+КК

7 700 5 2 103б 1058 14 MK+НK+MK

Механические испытания на сдвиговую прочность показали, что с понижением температуры сварки давлением от 900 до 700 °С уровень прочности на сдвиг композитного материала заметно, в среднем на 18 %, повышается.

Таким образом, разработан методологический подход к применению НК материалов в качестве упрочняющего элемента для изготовления трехслойных композитов с различными структурами из листового титанового сплава ВТ6 в условиях низкотемпературной СП. Получение слоистого композита с повышенными прочностными свойствами может быть достигнуто путем уменьшения температуры сварки давлением до 700 °С для сохранения НК структуры. Сохранение сочетания НК, МК и КК структуры в слоях при пониженных температурах позволяет обеспечить в композитных материалах повышенные прочностные и пластические свойства и достигнуть высокого уровня конструкционной прочности.

ЛИТЕРАТУРА

1. Лутфуллин Р.Я., Кайбьшев О.А., Валиахметов О.Р., Мухаметра-химов М.Х., Сафиуллин Р.В., Мулюков Р.Р. Соединение в твердом состоянии нанокристаллических титановых сплавов // Перспективные материалы. 2003. № 4. С. 21-25.

2. Мухаметрахимов М.Х. Применение наноструктурных материалов для изготовления трехслойных композитов с различными структурами из листового титанового сплава ВТ6 // Фундамент альные проблемы современного материаловедения. 2013. Т. 10. № 1. C. 82-86.

3. Райт Е.С., Левит А.П. // Композиционные материалы с металлической матрицей / пер. с англ. М.: Машиностроение, 1978. Т. 4. С. 49-110.

4. Соколовская Е.М., Гузей Л.С. Физикохимия композитных материалов. М.: МГУ, 1978. С. 255.

5. Казачков И.В., Бердин В.К Методика оценки качества диффузион-

ного соединения тонколистовых металлических материалов // Заводская лаборатория. 1989. Т. 55. № 7. C. 82-84.

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Mukhametrakhimov M.Kh. MECHANICAL PROPERTIES OF COMPOSITE MATERIALS FROM TITANIO ALLOY ВТ6 Experiments are carried out using nanostructured materials as a strengthening element to produce three-layer composites with different structures (nanocrystalline - NC, microcrystalline - MC and coarse-grained - GC) of the titanium alloy VT6 in the low temperature superplasticity conditions. It is established that if the combination of the NC, MC, GC structures is retained in the lowered temperatures it allows for the composite materials to have higher strength and plasticity properties and to achieve a higher level of structural strength.

Key words: low temperature superplasticity; multilayer composites; coarse-grained; microcrystalline and nanocrystalline titanium alloy; solid-phase joining; strength; mechanical properties.

1б70