Применение винтовой экструзии для получения субмикрокристаллической структуры и гомогенизации титанового сплава ВТ3-1

УДК 669.295

Д. В. Павленко, А. В. Овчинников, А. Я. Качан, В. Г. Шевченко, Я. Е. Бейгельзимер, Т. П. Заика, А. В. Решетов, Р. Ю. Кулагин

ПРИМЕНЕНИЕ ВИНТОВОЙ ЭКСТРУЗИИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СУБМИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ И ГОМОГЕНИЗАЦИИ ТИТАНОВОГО

СПЛАВА ВТ3-1

Исследовано влияние интенсивной пластической деформации методом винтовой экструзии на формирование микроструктуры и распределение легирующих элементов в титановом сплаве ВТ3-1. Показано, что винтовой экструзией возможно эффективно получать субмикрокристаллическую структуру в сложнолегированных двухфазных титановых сплавах и обеспечивать выравнивание концентрации легирующих элементов в субмикрокристаллическом масштабе.

Известно, что размер и морфология структурных составляющих сплавов на основе титана существенно влияет на их механические, физические и специальные свойства. С целью получения субмикрокристаллической структуры и, как следствие, повышения комплекса свойств титановых сплавов, в настоящее время эффективно применяют методы интенсивной пластической деформации (ИПД) [1-3].

В публикациях имеются данные о получении в титане и сплавах на его основе ультрадисперсной структуры с размером структурных составляющих порядка 0,100 мкм или 100 нм. При этом во многих работах отмечается повышение уровня прочности в 1,5......2,0 раза по сравнению с титаном и сплавами на его основе с типичной структурой. Титано -вые сплавы, имеющие в своей основе нано- или субмикроструктуру по ряду свойств качественно отличаются от промышленных титановых сплавов. Так, для технического титана ВТ1-0 и титанового сплава ВТ6 получение в них структурных составляющих размером до 100 нм позволяет повысить прочность до 2-х раз [2, 3].

На данный момент методами интенсивной пластической деформации получены и исследованы наноструктуры в низколегированных а - и псевдо а-титановых сплавах. Для сложнолегированных (а+р) и р-титановых сплавов, особенно для мар-тенситных сплавов и стареющих - интерметаллид-но упрочняющихся сплавов, которые находят ши-

рокое применение в технике, технология ИПД остается практически неисследованной. Нет данных об изменении характера распределения легирующих элементов в сплаве, подвергнутом интенсивной пластической деформации. Приведенные известные данные влияния структуры на механические свойства титановых сплавов характерны для сплавов со стандартной, регламентированной структурой, в частности, размер коагулированной а- и р- фазы составляет в среднем 10 мкм, а пластинчатая структура имеет размер а-пластин около 3 мкм. Именно для сплавов с такими размерами структурных составляющих имеются данные о физических, механических и служебных свойствах.

В связи с этим, в настоящее время проблема исследования технологии формирования нано- и субмикроструктуры в сложнолегированных титановых сплавах и ее влияние на их свойства является актуальной.

Целью настоящей работы являлась оценка эффективности применения интенсивной пластической деформации методом винтовой экструзии для снижения характеристического размера структурных составляющих и гомогенизации легирующих элементов в сложнолегированном титановом сплаве ВТ 3-1.

Химический состав и механические свойства сплава приведены в табл.1

Таблица 1 - Химический состав и механические свойства сплава ВТ3-1 [4]

Химический состав (основные элементы) Механические свойства

Массовые части, % O0,2, МПа а„, МПа 85, % % кси, кДж/м2

Л А1 Мо Сг Бе

основа 5,5-6,5 2-3 0,8-0,9 0,2-0,7 0,2-0,4 900 1140 10 25 300

© Д. В. Павленко, А. В. Овчинников, А. Я. Качан, В. Г. Шевченко, Я. Е. Бейгельзимер, Т. П. Заика, А. В. Решетов, Р. Ю. Кулагин, 2007

Интенсивная пластическая деформация осуществлялась методом винтовой экструзии (ВЭ) [3], который состоит в том, что призматическую заготовку пропускают через матрицу с винтовым каналом постоянного поперечного сечения (рис. 1).

Рис. 1. Схема интенсивной пластической деформации призматических образцов методом винтовой экструзии

Угол р наклона винтовой линии к направлению экструзии изменяется по высоте матрицы, причем на ее начальном и конечном участках он равен нулю. Указанные особенности геометрии канала приводят к тому, что при выдавливании через него форма заготовки не изменяется, что позволяет осуществлять ее многократное прессование с целью накопления пластических деформаций. При этом происходит изменение структуры и свойств заготовки при сохранении идентичности начальной и конечной ее формы. В работе [3] показано следующее:

- в первом приближении, в процессе ВЭ каждое материальное сечение заготовки, ортогональное ее оси, деформируется по схеме простого сдвига;

- наибольшую часть деформации за проход заготовка получает в узких зонах входа и выхода из винтового участка канала матрицы;

- минимальной деформации подвергается волокно, расположенное по оси образца, максимальной - наиболее удаленные от нее волокна;

- для заготовок прямоугольного поперечного сечения максимальное eimax и минимальное еimin значения эквивалентной деформации после одного прохода ВЭ можно рассчитать по формулам

е i max = tan Р max,

е i max = 0,4 + 0,1-tan P max,

где pmax - максимальное значение угла наклона винтовой линии.

ВЭ осуществлялась на установке с винтовой матрицей прямоугольного сечения (25x40 мм), с

Ртах = 45°. Длина образцов составляла 70 мм. С целью увеличения технологической пластичности титанового сплава, к переднему концу заготовки прикладывалось противодавление, величиной 200 МПа. Давление прессования составило 1600 МПа. В качестве смазки использовалась смесь на основе легкоплавкого стекла. Заготовки предварительно нагревали в печи сопротивления до температуры 400 °С.

Исходная заготовка имела типичную для титановых поковок сплава ВТ3-1 пластинчатую структуру, представленную зернами первичной

р-фазы, размером 20......40 мкм. Внутри зерен

первичной р-фазы располагались пластины а-фазы размером 2...4 мкм, между которыми имелись прослойки р-фазы размером около 2 мкм (рис. 2).

x 1000

Рис. 2. Исходная структура образцов из сплава ВТ3-1

Структурные составляющие сплава в исходном состоянии имели значительные размерные отличия (рис. 2). Так, по границам первичных р-зерен присутствовала а-оторочка размером 3...7 мкм, что до 2,5 раз превышает средние размеры а-пластин и до 5 раз больше р-прослойки. Исследования распределения легирующих элементов в структурных составляющих показали, что для исходных заготовок наблюдалась существенная химическая неоднородность в структурных составляющих (рис. 3).

Повышенная концентрация р-стабилизирующих элементов Мо и Сг в больших количествах имела место в р-прослойках и практически отсутствовала в а-пластинах., что является характерным для (а+р)-сплавов с пластинчатой структурой.

В результате 1 прохода ВЭ происходит значительное изменение структуры сплава (рис. 4).

Рис. 3. Распределение легирующих элементов в структурных составляющих исходных заготовок

х 1000

В деформированном состоянии практически отсутствуют границы первичных р-зерен и а-отороч-ка. Размеры а-пластин, являющихся основной структурной составляющей сплава, уменьшились

с 2......4 мкм до 0,2 мкм (200 нм - субструктурный

размер). Пропорциональное уменьшение размера наблюдается и для прослойки р- фазы. Анализ распределения легирующих элементов показал уменьшение концентрационной неоднородности в структуре субмикрокристаллических размеров (рис. 5).

Рис. 4. Фрагмент структуры сплава ВТ3-1 после интенсивной пластической деформации методом винтовой экструзии

Рис. 5. Распределение легирующих элементов в сплаве ВТ3-1 после ИПД методом винтовой экструзии

На основании анализа результатов исследований можно сделать выводы, что при интенсивной пластической деформации сложнолегированных титановых сплавов методом винтовой экструзии происходит интенсивное дробление зерен, сопровождающееся увеличением протяженности высокоугловых границ, а также наблюдается более равномерное, по сравнению со сплавом в исходном состоянии, распределение легирующих элементов.

Перечень ссылок

1. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. - 416 с.

2. Валиев Р.З., Александров И.В. Наноструктур-

ные материалы, полученные методом интенсивной пластической деформации. - М.: Логос, 2000. - 272 с.

3. Бейгельзимер Я.Е., Варюхин В.Н., Орлов Д.В., Сынков С.Г. Винтовая экструзия - процесс накопления деформации. - Донецк: Фирма ТЕАН, 2003. - 87 с.

4. Чечулин Б. Б., Ушков С. С., Разуваев И. Н. и др. Титановые сплавы в машиностроении. - Л.: Машиностроение, 1977. - 247 с.

Поступила в редакцию 9.07.2007

Досл1джено вплив ¡нтенсивно!'пластично!'деформацИ'методом гвинтовий екструзИ' на формування м1кроструктури та розпод1л легуючих елемент1в у титановому сплав1 ВТ3-1. Показано, що гвинтовою екструз1ею можливо ефективно одержувати субм1крок-ристаличну структуру в сложнолегованих двофазних титанових сплавах i забезпечува-ти вирiвнювання концентрацИ' легуючих елементiв у субмiкрокристаличному масштабi.

Influence of intensive plastic deformation by a method screw экструзии on formation of a microstructure and distribution of alloying elements in titanic alloy ВТ3-1 is investigated. It is shown, that screw extrusion probably effectively to receive submicrocrystalline structure in complicated alloyed biphase titanic alloys and to provide alignment of concentration of alloying elements in submicrocrystalline scale.