Термическая обработка титана методом нагрева в электролитной плазме

В.А. Басов, В.А. Степанов, А.Г. Ширяев

ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ТИТАНА МЕТОДОМ НАГРЕВА В ЭЛЕКТРОЛИТНОЙ

ПЛАЗМЕ

Введение

Титановые сплавы отличаются исключительным многообразием микроструктур, поскольку большинство из них являются многофазными системами. Уставлено, что морфология отдельных структурных составляющих титана зависит от условий термической обработки [3]. Определяющими здесь являются два фактора.

Во-первых, это переход через температуру полиморфного а + в ^ в превращения (Ги и ), причем значение температуры для различных марок а + в - титановых сплавов различно. Так, для сплава ВТ-3 она составляет 9700, а для ВТ8 — 9900. При нагреве титанового сплава выше Тпл его структура будет состоять только из в-фазы, с возрастающим по мере повышения температуры и времени выдержки размером зерна. В этом случае последующее охлаждение а + в - титановых сплавов приведет к формированию в них пластинчатой структуры внутри бывших в-зерен. Отсутствие перехода через Тп.п приводит к сохранению двухфазной а + в - области и при последующем охлаждении формируется мелкозернистая глобулярная структура.

Во-вторых, важным условием термообработки является скорость охлаждения. Чем медленнее скорость охлаждения, тем заметнее становятся изменения структуры. Существенное изменение размеров структурных составляющих происходит при скорости охлаждения меньше 20 град/с [3]. В этот интервал попадает охлаждение в печи и охлаждение на воздухе. При интенсивном охлаждении в воде заметного изменения размеров структурных параметров наблюдаться не будет.

Исследования титановых сплавов [1] позволили установить на основе количественной металлографии в сочетании с вероятностно-статистическими методами корреляционного и регрессионного анализа связь между механическими свойствами и параметрами пластинчатой структуры титановых сплавов. Это позволяет объяснить наблюдаемую на практике резкую зависимость свойств титановых сплавов от их структуры. Так, дополнительное упрочнение сплава с глобулярной структурой из-за уменьшения величины зерна от диаметра dl до d2 можно оценить по уравнению Холла — Петча, преобразованного к виду

Л О = ^2- 1/ 2 - d\- 1/ 2 ),

где Л О — разность пределов текучести сплава с величиной зерна dl и d2 и d2 соответственно. Поэтому использование титановых сплавов в различных конструкциях делает контроль за формированием структуры обязательным, поскольку ее учет позволяет прогнозировать процессы деформирования и разрушения титана.

Среди существующих к настоящему времени технологий термообработки титановых сплавов ведущее место занимает традиционный нагрев в печи. Несмотря на это, важной задачей остается поиск новых методов, позволяющих, с одной стороны, существенно снизить экономическую стоимость термообработки титана, с другой — увеличить производительность метода.

Метод нагрева металлов в электролитной плазме не является широко известным в

промышленности. Этот вид нагрева сегодня в основном применяется для термической и химикотермической обработки малогабаритных стальных и чугунных деталей. Среди основных достоинств этого метода надо отметить: высокую скорость нагрева; возможность нагрева до

любых температур, вплоть до температуры плавления; возможность проведения полной автоматизации в массовом производстве; разнообразие выполняемых операций термической и термохимической обработки; возможность локализации и получения строго ограниченной зоны нагрева; легкость регулирования тепловых параметров изменением электрических параметров режима; невысокое удельное энергопотребление; не агрессивность рабочей среды. Имеются у

метода и недостатки: затруднительность прямого контроля температуры нагреваемых изделий; высокие требования к обеспечению электрической безопасности эксплуатации оборудования;

сложность нагрева профилированных изделий большой протяженности [4].

Само явление нагрева металлов в электролитной плазме основано на выделении энергии в электрохимической ячейке при подаче на нее напряжения 150... 300 В в электролитах специального состава. Площадь поверхности катода (катодом является обрабатываемая деталь) должна быть в десятки раз меньше площади анода. В этих условиях вблизи поверхности катода происходит разогрев электролита до температуры кипения. Как следствие — обрабатываемая деталь оказывается отделенной от основной массы электролита тонкой парогазовой оболочкой, разогреваясь при этом до температур, превышающих 1000 0С.

Существующая задержка внедрения этого способа нагрева в промышленность обусловлена в первую очередь недостаточностью экспериментальных и теоретических исследований по данному вопросу. Все вышеизложенное позволяет указать на необходимость исследования вопроса о применимости метода нагрева в электролитной плазме для проведения термической обработки титановых сплавов, в частности возможностей его использования для формирования определенной микроструктуры титана.

Методика эксперимента

Целью данной работы было изучение закономерностей микроструктурных изменений титана, возникающих при его нагреве в электролитной плазме.

Нагрев образцов титана в электролитной плазме проводился на экспериментальной установке, структурная схема которой приведена на рисунке 1. Отрицательный потенциал поступает на обрабатываемый образец титана (катод), закрепленный в системе погружения. Для прохождения тока управляющий сигнал через реле времени подается на систему погружения. Протекающий через электролит ток приводит к возникновению газового разряда на катоде. Электрические параметры процесса контролируются амперметром и вольтметром.

Рис. 1. Структурная схема установки: 1— регулятор напряжения; 2 — выпрямитель; 3 — блок измерения тока и напряжения; 4 — электролитическая ванна; 5 — система погружения; 6 — реле времени; К — катод; А — анод.

Опыты проводились на цилиндрических образцах ^ = 4 о 10-3 м) из сплава ВТ-1-0. На физико-химические свойства материалов, обрабатываемых методом нагрева в электролитной плазме, оказывает влияние время обработки, величина межэлектродного напряжения и концентрация используемого электролита. В экспериментах термическая обработка титана в электролитной плазме проводилась в течение 60—120 секунд при межэлектродном напряжении 100— 140 В, с использованием в качестве электролитов водных растворов №НСОз с концентрациями 5, 10 и 15 процентов. Выбор этого электролита обусловлен его высокой электропроводностью, отсутствием нерастворимых продуктов при электролизе, доступностью и безвредностью.

Температура катода измерялась с помощью оптического пирометра 0ППИР-09.

После обработки в электролите на микроскопе МИМ-7 проводилось металлографическое исследование. Для получения микрошлифа образцы предварительно подвергались

электрополировке и травлению. Электрополировка осуществлялась при плотности тока 1 A/см2 в течение 1 минуты при температуре 30 0С в электролите следующего состава:

— плавиковая кислота — 150 мл,

— серная кислота — 350 мл, —

глицерин — 100 мл.

Для выявления микроструктуры использовался травитель состава:

— плавиковая кислота — 25 мл,

— серная кислота — 25 мл, —

вода — 50 мл.

Образцы выдерживались 30 секунд, промывались водой, спиртом и подвергались сушке.

Количественный анализ образовавшейся структуры титана заключался в измерении размеров yS-зерен D, величины внутризеренных а-колоний d и толщины а-пластин b с применением метода случайных секущих.

Результаты исследований

Результаты экспериментов по изучению влияния величины межэлектродного напряжения на микроструктуру представлены в таблице 1. С целью исключения временного фактора нагрев всех образцов проводился в течение 60 секунд.

Таблица 1

Зависимость размеров структурных составляющих образца титана от величины межэлектродного напряжения при его нагреве в электролитной плазме

Концентрация электролита, % Межэлектродное напряжение, В Размер в-зерен, мкм Величина а-колоний, мкм Толщина а-пластин, мкм

5 132 — — —

5 140 320 120 3

5 145 260 — —

5 150 250 90 6

5 155 250 150 7

10 120 270 60 5

10 125 260 70 5

10 132 260 90 8

10 140 300 80 4

10 145 460 80 5

15 105 180 — —

15 110 200 40 7

15 115 290 70 5

15 120 270 70 4

Исходная структура образцов титана являлась глобулярной. В результате обработки происходит смена типа структуры на пластинчатый, при котором в микроструктуре образца наблюдаются сравнительно крупные /S-зерна, внутренний объем которых расчленен а-пластинами, собранными в а-колонии.

В ходе эксперимента выяснилось существование для каждой концентрации электролита минимального (Umin) и максимального (Umax) межэлектродного напряжения, ограничивающих интервал, в рамках которого возможно измерение элементов микроструктуры. Правая граница по напряжению обусловлена тем, что при превышении Umax происходит сгорание образца. При напряжениях, меньших Umin, происходит лишь частичная рекристаллизация. Как следствие, число возникающих структурных элементов невелико. Кроме того, они локализованы по краям образца, вследствие более высокой температуры поверхности образца по сравнению с внутренним объемом [4]. Так как размеры пластинчатой структуры очень сильно различаются между собой — от сотен микрон для D и до десятков и нескольких микрон для d и b

соответственно, то для правильной количественной оценки всех указанных параметров необходимо, чтобы их число было максимально большим.

При использовании электролитов №НСОэ с концентрацией 10 и 15 процентов увеличение межэлектродного напряжения при нагреве образцов титана приводит к росту в-зерна. Поскольку на рост в-зерна оказывают влияние только два фактора: температура нагрева и длительность термической выдержки [3], то можно сделать вывод, что увеличение напряжения приводит к увеличению температуры образца. Проведенные измерения температуры образца при различных величинах межэлектродного напряжения подтверждают этот факт (табл. 2).

Таблица 2

Зависимость температуры катода (образца титана) от величины межэлектродного напряжения и

Температура катода, 0С Межэлектродное напряжение, В Концентрация электролита, %

850 120 5

1000 125 5

1050 135 5

1150 143 5

1200 145 5

850 105 10

1150 110 10

1200 120 10

1250 130 10

1350 135 10

900 100 15

1050 105 15

1150 110 15

1250 115 15

Однако увеличение напряжения при использовании электролитов ЫаНСОэ с концентрацией 5 процентов не приводит к увеличению размеров в-зерна. Хотя и в этом случае с увеличением напряжения наблюдается рост температуры образца. Это объясняется различием процессов полиморфного превращения а ^ в при использовании электролитов с различной концентрацией.

Установлено, что процесс полиморфного превращения проходит три стадии [2]:

1) зарождение по сдвиговому механизму в-фазы;

2) рост участков образовавшейся в-фазы по неупорядоченному механизму до их взаимного столкновения (аналогично миграции границ зерен при рекристаллизации);

3) собирательная рекристаллизация в-фазы.

Вследствие анизотропии теплового расширения различно ориентированных зерен, нагрев со скоростями, превышающими 20 0С/мин, приводит к возникновению внутри а-зерен

значительных внутренних напряжений. Возникновение термических напряжений, возрастающих с увеличением скорости нагрева, способствует появлению при температуре перехода большого количества зародышей в-фазы, образующихся по сдвиговому механизму не только по границам зерен, но и в теле зерна.

Для частоты I возникновения зародышей при температуре перехода можно записать [2]:

II = ёпсШ = 1030   3- ,ехрППШ - 16поа3в  ЯрЛамруар  2А/ПППП ,

ь кт

где d — длина «скачка», который совершает атом при переходе из одной фазы в другую; Ь —

средний диаметр зерна; Оар — поверхностная свободная энергия; К — постоянная Больцмана, Dp

— плотность в-фазы, уав — величина относительного перегрева; р — киломольный эквивалент;

А{ — множитель, определяемый краевым углом при образовании зародыша ¡-мерности (1

= 3, 2, 1, 0 для зарождения в объеме, на поверхности, на ребре и на вершине зерна соответственно), А0 < А1 < А2 < А3 = 1; dni — число зародышей ¡-размерности, возникающих в единице объема за время dt.

Из уравнения (2) следует, что перегрев на 2—3 0С приводит к возрастанию числа зародышей в-фазы на несколько порядков. В этом случае процесс перехода определяется в основном зародышеобразованием, а рост новых центров в-фазы подавляется. Регулируя вводимую тепловую мощность (скорость нагрева), можно создавать различную степень превосходства процесса зарождения над процессом роста в-фазы.

Исходя из этих представлений о кинетике протекания в титане полиморфного а ^ в превращения, отсутствие роста размера в-зерна с увеличением напряжения, объясняется равенством интенсивностей процессов зарождения и роста в-фазы.

Влияние межэлектродного напряжения на другие параметры пластинчатой структуры, величину внутризеренных а-колоний и толщину а-пластин не носит регулярного характера. Здесь важно отметить существование режимов, при которых структура образца представлена только полиэдрическими в-зернами. При традиционном нагреве титановых сплавов в печах в двухфазной а + в - области происходит уменьшение количества а-фазы вплоть до ее полного исчезновения при температуре, выше которой сплавы находятся в однофазном в-состоянии.

Результаты исследования влияния времени нагрева на размеры структурных составляющих образца титана представлены в таблице 3. Заметного влияния времени обработки на микроструктуру образца не наблюдается при использовании электролита с концентрацией 5 и 7 процентов. В случае использования электролита с концентрацией 10 процентов происходит увеличение размеров а-пластин и толщины внутризеренных а-колоний. Укрупнение структурных составляющих титана при постоянной температуре происходит медленно вследствие малоподвижности межфазной границы. Так, например, при нагреве в печи даже при температурах, близких к предельной температуре существования а-фазы в двухфазном сплаве ВТ3-1, за 10 часов выдержки толщина а-пластин увеличивается на 1—2 мкм [3]. В наших экспериментах подобное изменение достигается путем увеличения на 30 секунд времени нагрева. При больших скоростях протекания процесса, то есть при больших отклонениях от равновесия, малоподвижные структурные конфигурации границы менее устойчивы и могут разрушаться в процессе движения границы [2]. При этом скорость перемещения межфазной границы мало зависит от температуры.

Таблица 3

Зависимость размеров структурных составляющих образца титана от времени его нагрева в электролитной плазме

Время нагрева, с Концентрация электролита, % Межэлектродное напряжение, В Размер в-зерен, мкм Величина внутризеренных а-колонии, мкм Толщина а-пластин, мкм

60 5 140 320 120 3

90 5 140 230 — —

105 5 140 310 10 5

30 10 140 — 70 5

60 10 140 300 80 7

90 10 140 — 130 12

60 15 115 290 70 4

75 15 115 350 70 4

90 15 115 310 60 4

120 15 115 300 80 5

Практика использования метода нагрева в электролитной плазме показала, что после нагрева наиболее легко осуществить два способа охлаждения катода: в растворе и на воздухе.

Проведены эксперименты, в которых образец титана после нагрева в течение 60 секунд подвергался охлаждению или на воздухе (Уохл ~ 20 С/с), или в растворе (Уохл ~ 1000 0С/с). В ряде экспериментов после нагрева детали в течение 60 секунд межэлектродное напряжение уменьшалось до полного исчезновения разряда (Уохл ~ 100 0С/с). Обобщенные результаты экспериментов по изучению влияния скорости охлаждения на микроструктуру титана представлены в таблице 4.

Таблица 4

Зависимость размеров структурных составляющих образца титана, нагретого в электролитной плазме, от скорости его охлаждения

Скорость охлаждения, 0С/с Концентрация электролита, % Межэлектродное напряжение, В Размер в-зерен, мкм Величина внутризеренных а-колонии, мкм Толщина а-пластин, мкм

20 5 132 110 — —

1000 5 132 — — —

20 5 140 480 110 7

100 1 5 140 360 70 6

1000 5 140 330 130 3

20 10 120 340 80 6

100 1 10 120 310 60 6

1000 10 120 270 60 5

20 15 115 310 60 6

1000 15 115 290 70 5

1 Нагрев образца производился в течение 60 секунд при фиксированном межэлектродном напряжении 140 В, затем напряжение уменьшали со скоростью 5 В/с до исчезновения разряда.

Исследование показало что, наибольшей величины структурные составляющие достигают при охлаждении на воздухе. Это согласуется с результатами, представленными в работе [3], когда уменьшение размеров структурных составляющих происходит по мере увеличения скорости охлаждения.

Выводы

1. С ростом межэлектродного напряжения, используемого при нагреве титана в электролитной плазме, увеличивается неустойчивость его межфазных границ.

2. Уменьшение концентрации электролита, используемого при нагреве титана в электролитной плазме, приводит к преобладанию процесса зарождения ß-фазы над процессом ее роста.

3. Способом охлаждения, приводящим к наибольшему увеличению структурных составляющих сплава титана, обработанного в электролитной плазме, является охлаждение на воздухе.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Брун М.Я., Перцовский Н.З., Шаханова Г.В., Родионов В.Л. // Труды III Международной конференции по титану. М.: ВИЛС, 1979. Т. 3.

2. Гордиенко А.И, Шипко А.А. Структурные и фазовые превращения в титановых сплавах при быстром нагреве. Минск: Наука и техника, 1983.

3. Металлография титановых сплавов / Под ред. Н.Ф. Аношкина и др. М.: Мир; Металлургия, 1980.

4. Справочник по электрическим и ультразвуковым методам обработки материалов / Под ред. Л.Я. Попилова. Л.: Машиностроение, 1971.