Влияние термической обработки на свойства листов из высокопрочного титанового сплава ВТ23М

УДК 621.78:669.295

А.Л. Яковлев, Н.А. Ночовная

ВЛИЯНИЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА СВОЙСТВА ЛИСТОВ ИЗ ВЫСОКОПРОЧНОГО ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ23М*

Рассмотрено влияние термической обработки в зависимости от толщины листов (0,5 и 1,8 мм) на свойства листов из высокопрочного титанового сплава ВТ23М. Проведены испытания по определению механических свойств (ав, 8) в продольном и поперечном направлениях. Выбраны оптимальные режимы термической обработки тонких листов и проведены исследования микро- и макроструктуры листов, а также рент-геноструктурный фазовый анализ. Проведенные исследования позволили определить влияние толщины листов на свойства в продольном и поперечном направлениях.

Ключевые слова: титановый сплав ВТ23М, термическая обработка, продольное направление, поперечное направление, ВТМО, отжиг, старение, лист, прочность.

The influence of heat treatment and thickness parameters on the properties of sheets of high-strength titanium alloy VT23M have been considered. The mechanical tests for the properties determination (UTS, EL) have been carried out in longitudinal and transverse directions. There have been selected the optimal heat treatment modes of thin sheets. Micro-/macrostructure analysis as well as XRD analysis have been also accomplished. The obtained results allowed to determine the effect of sheets thickness on the properties in longitudinal and transverse directions.

Key words: titanium alloy VT23M, heat treatment, longitudinal direction, transverse direction, VTMO, annealing, ageing, sheet, ultimate tensile strength.

* Авторы выражают благодарность за помощь в проведении исследований А.Ю. Соминой.

Основными требованиями, предъявляемыми к самолетам нового поколения, являются повышенные ресурс и надежность их конструкций наряду с экономической эффективностью изготовления изделий. В этой связи одной из актуальных задач становится не только разработка новых материалов, но и создание энергосберегающих технологий их получения и термической обработки [1-3]. Одним из самых используемых видов полуфабрикатов являются листовые материалы, среди которых особое место занимают тонкие листы (<2 мм) из высокопрочных титановых сплавов [1, 4]. Такие материалы можно использовать в комплексе с углепластиками для обеспечения требуемого уровня эксплуатационных и технологических характеристик силовых элементов планера повышенного ресурса [5, 6].

Ранее композиционные материалы изготовлялись преимущественно на основе алюминия, но, несмотря на то, что алюминий легче титана - титан обладает более высокими технологическими свойствами. Температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) у титана ниже, чем у других конструкционных материалов: при 20°С он в 1,5 раза ниже, чем у железа, в 2 раза - чем у меди и почти в 3 раза - чем у алюминия [7-9]. Стоит также отметить, что титановые сплавы можно использовать как прослойку между алюминием и углепластиком, так как титановые сплавы в отличие от алюминиевых обладают высокой коррозионной стойкостью и нейтральны по отношению к углепластикам [2, 6, 8].

Одним из наиболее востребованных высокопрочных титановых сплавов является сплав ВТ23,

который применяется в изделиях авиационной и ракетно-космической техники, а также для изготовления средств индивидуальной защиты (бронежилетов, касок), для спортивного и туристического инвентаря. Из сплава ВТ23 возможно изготовление всех типов полуфабрикатов: от фольги толщиной 0,08 мм до поковок сечением до 300 мм и штамповок массой до 3500 кг [10, 11]. Однако широкий диапазон легирования основными компонентами (например, 4,0-6,3% А1) может приводить к большому разбросу значений по механическим свойствам [12, 13]. На основе сплава ВТ23 создана его модификация - сплав ВТ23М с более узким диапазоном легирования и повышенным уровнем гарантированных свойств [14, 15].

Методика проведения исследований

Исследования проведены на листах из сплава ВТ23М толщиной 0,5 мм и 1,8 мм, изготовленных в опытно-промышленных условиях и термообра-ботанных по следующим режимам:

- отжиг при 7,ПП-320°С;

- отжиг, закалка+старение;

- ВТМО+старение при 7,ПП-400°С;

- ВТМО+старение при 7,ПП-350°С;

- отжиг при 7,ПП-250°С;

- отжиг+старение при 7,ПП-400°С;

- отжиг+старение при 7,ПП-350°С;

- закалка+старение.

Испытания при растяжении проводили на машине Roell 2400 при температуре 20°С по ГОСТ 11701-84. Анализ макроструктуры осуществляли на макрошлифах из листа, вырезанных в продольном направлении. Оценка макрострук-

туры проводилась визуально. Исследование микроструктуры проводили на травленном микрошлифе на оптическом микроскопе «\ГЖ.$АМЕТ».

Съемку образцов при рентгеноструктурном фазовом анализе проводили с применением ди-фрактометра D/MAX-2500 фирмы «Rigaku» с монохроматическим Си ^-излучением. Диапазон сканирования - по углу 20 при 20-100°С. Рабочий режим дифрактометра: напряжение 40 кВ, ток 200 мА, продолжительность экспозиции 2 с. Расшифровка дифрактограмм проводилась с помощью специализированных программ Jade5 и базы данных PDF2.

Результаты исследований

С целью оптимизации технологии термической обработки и выявления ее влияния на механические свойства и структуру образцов из титанового сплава ВТ23М в зависимости от толщины листов, были проведены испытания образцов при растяжении при 20°С. Результаты испытаний представлены в табл. 1.

Как следует из анализа полученных данных, на образцах толщиной 0,5 мм наиболее высокий уровень механических свойств получен после термической обработки по следующим режимам:

- отжиг+старение при 7,П.П-400°С;

- отжиг+старение при 7,П.П-350°С;

- ВТМО+старение при 7,ПП-400°С;

- ВТМО+старение при 7,ПП-350°С.

Исследование микро- и макроструктуры проводили на листах толщиной 0,5 и 1,8 мм после термической обработки по выбранным режимам. Макроструктура термообработанных листов толщиной 0,5 и 1,8 мм из высокопрочного титанового сплава ВТ23М идентична (рис. 1) - равноосная, без линий интенсивного течения и структурной анизотропии, соответствует 1-му баллу шкалы макроструктур титановых сплавов (ПИ 1.2.78509).

Анализ микроструктуры листов толщиной 0,5 мм из высокопрочного титанового сплава ВТ23М (рис. 2, а), термообработанных по режимам: ВТМО+старение при ГПП-400°С и ВТМО+старение

Таблица 1

Результаты испытаний при растяжении листов толщиной 0,5 мм

Режимы ТО ав, МПа 5, %

В исходном состоянии (после ВТМО) 1020 15,0

ВТМО+старение при:

ГПП-400°С 1080-1120 10,5-12,0

ГПЛ-350°С 1020-1080 9,2-13,0

Отжиг при:

ГПЛ-220°С 970-990 10,0-15,0

ГПЛ-150°С 930 10,0

Отжиг+старение при:

ГПП-400°С 1260-1280 7,1-7,8

ГПЛ-350°С 1160-1180 10,0-14,0

Закалка+старение 1170-1290 0,1-3,5

Отжиг, закалка+старение 1340-1470 1,6-2,1

при ГПП-350°С, показал, что микроструктуры идентичны - глобулярного типа, соответствует 2-му типу 9 -типной шкалы микроструктур для (а+Р)-титановых сплавов (ПИ 1.2.78509 «Металлографический анализ титановых сплавов»). Как и все титановые сплавы (а+Р)-класса с глобулярной структурой сплав ВТ23М имеет высокую пластичность.

Рис. 1. Макроструктура листа из сплава ВТ23М толщиной 1,8 мм после обработки по режиму: ВТМО+старение при ГПП-400°С

На рис. 2, б представлена микроструктура листа толщиной 0,5 мм из исследуемого сплава после термообработки по режиму: отжиг+старение при 7,ПП-400°С. Микроструктура мелкозернистая с более вытянутыми (по сравнению с предыдущими образцами) зернами а-фазы и элементами вид-манштеттовой структуры, соответствует 3 - му типу 9-типной шкалы микроструктур для (а+Р)-титановых сплавов (ПИ 1.2.78509). Такая микроструктура должна обеспечивать высокий уровень характеристик работоспособности (Мцу,

срту, кси, КСт).

На листах из сплава ВТ23М толщиной 1,8 мм высокий комплекс механических свойств получен после термической обработки по следующим режимам:

а) б)

Рис. 2. Микроструктура (*600) листа из сплава ВТ23М толщиной 0,5 мм после обработки по режиму: а - ВТМО+старение при Гпл-350°С; б - отжиг+старение при ГПЛ-400°С

Таблица 2

Результаты испытаний при растяжении листов толщиной 1,8 мм

Режимы ТО ав, МПа 5, %

В исходном состоянии (после ВТМО) 1360 -

ВТМО + старение при:

ГПП-400°С 1410-1420 2,8*-9,2

ГПЛ-350°С 1250-1260 6,7-8,8

Отжит при:

ГПЛ-220°С 1020-1060 10,5-12,5

7пл-150°С 1000 16,0

Отжиг+старение при:

ГПП-400°С 1190-1200 11,0

ГПЛ-350°С 1120 10,0-13,0

Закалка + старение 1290 5,9

Отжиг, закалка + старение 1190-1230 8,1-10,0

* Дефектный образец.

- отжиг+старение при 7,ПП-400°С;

- отжиг+старение при 7,ПП-350°С;

- ВТМО+старение при 7;п-400°С;

- ВТМО+старение при 7,ПП-350°С;

- закалка+старение;

- отжиг при 7,ПП-220°С;

- отжиг при 7,ПП-150°С.

Результаты испытаний представлены в табл. 2.

Микроструктура листов толщиной 1,8 мм из сплава ВТ23М, термообработанных по указанным режимам, аналогична микроструктуре листов толщиной 0,5 мм, однако зерна более компактных размеров (рис. 3, а). Такой тип микроструктуры должен обеспечивать высокие характеристики сопротивления усталости [15, 16].

На рис. 3, б представлена микроструктура листов толщиной 1,8 мм из исследуемого сплава после термообработки по режиму: отжиг+старение при 7,ПП-350°С. Микроструктура идентична микроструктуре листов толщиной 0,5 мм, термообработанных по режиму: отжиг+старение при 7,ПП-400°С.

Из результатов анализа микроструктур образцов толщиной 1,8 мм, термообработанных по режимам: отжиг при ГПП-220°С и отжиг

при 7,ПП-150°С, следует, что структура образцов идентична - глобулярная, перекристализованная с мелкодисперсными выделениями а-фазы, аналогична деформированному состоянию (рис. 3, е). Такой тип структуры, как правило, не обеспечивает для (а+Р)-титановых сплавов высоких прочностных характеристик, что и подтверждается данными о механических испытаниях - самая низкая прочность получена именно на листах, термообработанных по этим режимам.

При реализации режима термической обработки по режиму закалка+старение благодаря проведению ступенчатых обработок и длительному старению происходят рекристаллизационные процессы, сопровождающиеся ростом первичной а-фазы, с образованием отдельных глобулей размером >100 мкм (рис. 3, г). Такая структура - наряду с повышением прочности - может привести к падению пластичности, что отчетливо видно на образцах толщиной —0,5 мм и чуть менее заметно на образцах толщиной —1,8 мм. Макроструктура после указанных режимов термической обработки является типичной для листовых полуфабрикатов из (а+Р)-сплавов [12, 17].

Рис. 3. Микроструктура (*600) листа из сплава ВТ23М толщиной 1,8 мм после обработки по режиму: а - ВТМО+старение при 7'Ш1-400°С; б - отжиг+старение при 7'Ш1-350°С; в - отжиг при 7'Ш1-220°С; г - закалка+старение

Исходя из анализа полученных результатов для дальнейших исследований выбраны следующие режимы термической обработки:

- отжиг+старение при 7,ПП-400°С;

- отжиг+старение при 7,ПП-350°С;

- ВТМО+старение при 7,ПП-400°С;

- ВТМО+старение при 7,ПП-350°С.

Но следует отметить, что сплав ВТ23М является мало структурно чувствительным к термической обработке по различным режимам, так как структурно-фазовый состав в течение всех исследований менялся незначительно.

Дальнейшие исследования по определению фазово-структурного состава проводили на образцах по выбранным режимам термической обработки. В результате проведения рентгеноструктур-ного фазового анализа показано, что в образцах толщиной 0,5 мм основные фазы: твердый раствор на основе а-Т с периодом решетки а=0,292 нм; с=0,466 нм; с/а=1,5959 и твердый раствор на основе Р-Т с периодом а=0,3235 нм.

При сравнительном анализе дифрактограмм образцов толщиной 0,5 мм наблюдается значительное несоответствие интенсивностей рентгеновских линий указанных фаз и интенсивностей линий бестекстурных порошковых эталонов, что свидетельствует о развитой текстуре по фазам а-Т и р-Т у всех образцов.

При проведении рентгеноструктурного анализа образцов толщиной 1,8 мм установлено, что основные фазы - твердый раствор на основе а-Т с гексагональной структурой и периодом а=0,292 нм; с=0,466 нм; с/а=1,5959 и твердый раствор на основе Р-Т с кубической структурой и периодом а=0,319 нм.

В образцах листа толщиной 1,8 мм параметр а для Р-Т ниже (а=0,319 нм), чем в образцах листа толщиной 0,5 мм (а=0,3235 нм), что показывает вероятное присутствие в сплаве Р-фазы различного состава. Для более четкого определения фазового состава требуются дополнительные исследования.

По результатам рентгеноструктурного фазового исследования установлено, что в листах из сплава ВТ23М отсутствуют фазы, отрицательно влияющие на механические свойства материала, такие как фазы Лавеса.

Для подтверждения корректности выбора оптимальных режимов термообработки (ТО) определены механические характеристики (св, 5) на образцах из сплава ВТ23М в продольном и поперечном направлениях.

В табл. 3 представлены результаты испытаний при растяжении образцов из листов сплава ВТ23М толщиной 0,5 мм в продольном и поперечном направлениях при 20°С, а в табл. 4 - ре-

Таблица 3

Результаты испытаний при растяжении образцов из листов сплава ВТ23М толщиной 0,5 мм в продольном (Д) и поперечном (П) направлениях

Режим термической обработки ав, МПа 5, %

д П Д П

ВТМО+старение при: ГПП-400°С ГПЛ-350°С 1100 1050 1030 1025 11,25 11,1 6,2 6,05

Отжиг+старение при: ГПП-400°С ГПЛ-350°С 1270 1170 1265 1240 7,45 12,0 6,0 8,3

Таблица 4

Результаты испытаний при растяжении образцов из листов сплава ВТ23М толщиной 1,8 мм в продольном (Д) и поперечном (П) направлениях

Режим термической обработки ав, МПа 5, %

д П Д П

ВТМО+старение при: ГПП-400°С ГПЛ-350°С 1415 1255 1270 1295 9,2 7,75 7,4 7,4

Отжиг+старение при: ГПП-400°С ГПЛ-350°С 1195 1120 1255 1250 11,0 11,5 7,1 7,0

зультаты аналогичных испытаний для листов толщиной 1,8 мм.

По результатам исследования анизотропии механических свойств (св, 5) видно, что уровень прочности на образцах в продольном и поперечном направлениях на листах обеих толщин приблизительно одинаковый, однако уровень относительного удлинения ниже в поперечном направлении, чем в продольном в среднем на 30%, что яв-

ляется типичным для образцов с текстурированной структурой. На листах толщиной 0,5 мм более высокие значения прочности получены после термической обработки по режимам: отжиг+старение при 7,ПП-400°С и отжиг+старение при 7,ПП-350°С.

В дальнейших работах планируется изучить влияние выбранных режимов термической обработки на характеристики СРТУ, МЦУ, КСи и КСТ.

1. Хорев А.И. Комплексное легирование и термомеха-

ническая обработка титановых сплавов. М.: Машиностроение. 1979. 228 с.

2. Минаков В.Н., Хорев А.И., Шигонова О.П. Влияние

термической обработки на тонкую структуру сплава ВТ23. М.: ОНТИ ВИАМ. 1983. С. 65-68.

3. Анташев В.Г., Ночовная H.A., Ширяев A.A., Изотова А.Ю.

Перспективы разработки новых титановых сплавов //Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана Сер. «Машиностроение». Спец. вып. «Перспективные конструкционные материалы и технологии». 2011. С. 60-67.

4. Глазунов С.Г., Моисеев В.Н. Титановые сплавы. Кон-

струкционные титановые сплавы. М.: Металлургия. 1974. 368 с.

5. Антипов В.В., Сенаторова О.Г., Лукина Н.Ф.,

Сидельников В. В., Шестов В. В. Слоистые ме-таллополимерные композиционные материалы //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 226-230.

6. Антипов В.В. Стратегия развития титановых, магниевых, бериллиевых и алюминиевых

сплавов //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 157-167.

7. Цвиккер У. Титан и его сплавы. М.: Металлургия.

1979. 509 с.

8. Каблов E.H. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 7-17.

9. Рохлин Л.Л., Бочвар Н.Р., Добаткина Т.В. Совместное

влияние некоторых переходных металлов на изменение фазового состава и рекристаллизацию алюминия // Технология легких сплавов 2009. №2. С. 20-28.

10. Хорев А.И. Титановый сплав ВТ23 и его сравнение с лучшими зарубежными сплавами //Титан. 2006. №1(18). С. 47-52.

11. Ильин A.A., Колачев Б. А., Полькин И.С. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства: Справочник. М.: ВИЛС-МАТИ. 2009. 520 с.

12. Ерасов В.С., Гриневич A.B., Сеник В.Я., Коновалов В.В., Трунин Ю.П., Нестеренко Г.И. Расчетные значения характеристик прочности авиационных мате-

риалов //Авиационные материалы и технологии. 2012. №2. С. 14-16.

13. Логачев И.А., Разумовский В.И., Разумовский И.М., Косырев К. Л., Логачева А.И. Разработка теоретической процедуры оценки сбалансированности химического состава жаропрочного титанового сплава нового поколения и создание на этой основе методики оптимизации составов титановых сплавов //Титан. 2012. №4 (38). С. 27-32.

14. Хорев А.И. Основные научные и практические направления повышения стабильности механических свойств (а+Р)-титановых сплавов высокой и сверхвысокой прочности /В сб. ТН2010 в СНГ. Екатеринбург. 2010. С. 227-235.

15. Хорев А.И. Разработка теоретических и практических основ повышения конструкционной прочности титановых сплавов путем комплексного легирования и микролегирования /В сб. Ti-2007 в СНГ. Ялта. 2007. С. 226-234.

16. Ночовная H.A., Анташев В.Г., Ширяев A.A., Алексеев Е.Б. Исследование влияния режимов изотермического деформирования и термообработки на структуру и механические свойства опытного жаропрочного Ti-сплава //Технология легких сплавов 2012. №4. С. 92-99.

17. Хорев А.И., Ночовная H.A., Яковлев А.Л. Микролегирование редкоземельными металлами титановых сплавов //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 206-212.