ВЛИЯНИЕ ИНТЕНСИВНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ НА СТАРЕНИЕ α +β - ТИТАНОВОГО СПЛАВА

Пономаренко И.В. Повышение конструктивной прочности шатунных болтов ионной бомбардировкой

Рассмотрено влияние ионной бомбардировки титаном на механические свойства шатунных болтов. Установлено, что такая обработка значительно повышает конструктивную прочность изделий, особенно с конструктивными концентраторами напряжений: ав возрастает на 69 %, ад2 - на 84 % при сохранении показателей пластичности.

Ключевые слова: конструктивная прочность, конструктивные концентраторы напряжений, шатунный болт, ионная бомбардировка.

Ponomarenko L Improving structural strength of connecting-rod bolts

The effect of titanium ion bombardment on the mechanical properties of connecting-rod bolts is considered. It is found that such treatment significantly increases items structural strength, especially those that have structural stress concentrators: ав increases by 69 %, ад2 - by 84 % without decreasing ductility.

Key words: structural items strength, structural stress concentrators, connecting-rod bolt, ion bombardment.

УДК 669.295:621.431.75

Канд. техн. наук Т. А. Коваленко АО «Мотор Сич», г. Запорожье

ВЛИЯНИЕ ИНТЕНСИВНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ НА СТАРЕНИЕ а + в - ТИТАНОВОГО СПЛАВА

Исследовано влияние интенсивной пластической деформации методом винтовой экструзии на старение сложнолегированного титанового сплава ВТ25У. Показано, что распад метастабильных фаз сплава ВТ25У протекает непосредственно при интенсивной деформации при более низких температурах, чем при стандартном структурном состоянии сплава, с образованием дисперсной а+в структуры с повышенной твердостью.

Ключевые слова: титановый сплав, винтовая экструзия, субмикрокристаллическая структура, старение, метастабильная фаза, распад.

Ведение и цель работы

На протяжении более чем 50-ти лет титановые сплавы успешно применяются для ответственных деталей газотурбинных двигателей (ГТД). За эти годы накоплен значительный опыт в области металловедения и технологий изготовления полуфабрикатов и деталей из титановых сплавов. Механические свойства существующих титановых сплавов имеют достаточно широкий интервал разброса и в отдельных случаях уже не отвечают новым требованиям, предъявляемым к предельно нагруженным деталям газотурбинных двигателей нового поколения (моноколеса, компрессорные рабочие лопатки и диски).

Анализ публикаций позволил сделать вывод о том, что набор легирующих элементов в титановых сплавах остается одинаковым в течение многих лет, недостаточно сведений о разработках новых режимов их термообработки. Как показано в работе Н.А. Ночовной [1], проблемы титановых сплавов могут быть решены на основе создания сплавов с нестандартной кристал-

© Т. А. Коваленко, 2013

лической структурой. К таким технологиям, позволяющим получить принципиально новое структурное состояние с повышенными механическими свойствами, можно отнести технологию интенсивной пластической деформации (ИПД), позволяющую измельчить структуру до субмикрокристаллических (СМК) и нанораз-меров.

В ранее проведенных исследованиях [2-4] показана эффективность ИПД для титановых сплавов, определены температуры структурных и фазовых превращений СМК титана, температуры рекристаллизации и полиморфного превращения СМК титановых сплавов. Ус -тановленные особенности позволили предположить, что кинетика старения субмикрокристаллических титановых сплавов также может изменять свой характер под влиянием ИПД, что особенно актуально в условиях формирования СМК структуры в предварительно закаленных сплавах типа ВТ25У [5]. Кроме того, о возможном изменении механизмов фазово-структурных превращений под влиянием ИПД неоднократно отме-

чалось в публикациях, относящихся к алюминиевым сплавам [6, 7]. В тоже время для сложнолегированных титановых сплавов таких сведений нет, что затрудняет выбор оптимальных режимов термообработки для стабилизации СМК структуры при сохранении повышенного комплекса свойств.

Поэтому целью настоящей работы являлось определение влияния интенсивной пластической деформации на старение сплава ВТ25У для выявления связи между получаемыми свойствами и закономерностями структурообразования в ходе ИПД и последующего нагрева.

Методика, оборудование

Исходные заготовки вырезали из поковки штампованной сплава ВТ25У (ОСТ190197). Интенсивную пластическую деформацию осуществляли методом винтовой экструзии (ВЭ) по технологии, разработанной Дон-ФТИ им. А. А. Галкина. Процесс ВЭ реализовывали на кривошипно-шатунном прессе с усилием 150 т. Особенности геометрии канала матрицы обеспечивали сохранение при экструзии идентичности начальной и конечной форм и размеров обрабатываемой заготовки (рис. 1), что позволило осуществлять ее многократную экструзию с целью накопления деформации. Максимальная величина деформации за один проход при ВЭ составляла е = 2 [8]. Количество проходов при ВЭ изменялось от 1 до 5. Исследование микроструктуры проведено с применением микроскопа отраженного света «Observer.D1m» («Carl Zeiss») и во вторичных электронах с помощью электронного микроскопа JSM-6360LA. Твердость определяли по ГОСТ 9450-76.

тем двойникования [9]. Об образовании а'' - фазы также свидетельствовало снижение твердости сплава после закалки с 34 ЖС до 27 ЖС.

а б

Рис. 1. Внешний вид заготовки из сплава ВТ25У до

Результаты исследований, их обсуждение

Исходные заготовки для повышения деформационной способности перед винтовой экструзией подвергали закалке с температуры на 5 °С ниже начала полиморфного превращения сплава ВТ25У [5]. Микроструктура заготовок после закалки состояла из зерен первичной а- фазы и мартенситной а '' - фазы, размеры которых находились в пределах 5.. .10 мкм (рис. 2). Более высокая пластичность титановых сплавов с а -структурой обусловлена неполным смещением атомов в процессе перестройки ОЦК- решетки в ГПУ- решетку и релаксацией возникших при этом напряжений пу-

Рис. 2. Микроструктура исходной для ИПД заготовки из сплава ВТ25У, х1000

Известно, что распад метастабильной а - фазы при стандартном микроструктурном состоянии сплава ВТ25У происходит при температуре 60 °С по типу промежуточного превращения путем расслоения, с образованием участков обедненной р- стабилизирующими элементами а '' - фазы, которые превращаются в а- фазу с формированием стабильной а+р- структуры [9]. Исследование структуры сплава ВТ25У после двух проходов ВЭ показало, что на светлом фоне структуры закалки из а- и а - фаз просматривались отдельные участки с более темным оттенком травимости (рис. 3, а, б). Анализ микроструктуры при более высоких разрешениях позволил установить, что в темных участках структура сплава представляла собой а- и р- фазы (рис. 3, в), что свидетельствовало о протекании процессов распада непосредственно при ИПД - деформационном старении. Как показало исследование, на первых проходах ВЭ старение протекало в отдельных микрообъемах сплава, в результате последующей обработки методом ВЭ и накоплении деформации в сплаве ВТ 25У формировалась структура из а- и р- фаз субмикрокристаллических размеров (рис. 4). Таким образом, деформационное старение приводило к упрочнению сплава ВТ25У как за счет дисперсных частиц вторичной а- фазы, выделившейся при старении, так и за счет дополнительного измельчения зерна, что проявлялось в повышении твердости до 38.40 ЖС.

В то время как стандартная температура старения сплава ВТ25У находилась в пределах 600 °С, исследованием установлено, что под влиянием ИПД эта температура снижалась на 70.100 °С. По-видимому, ИПД интенсифицировала процесс старения и ускоряла распад метастабильной р-фазы за счет формирования субмикрокристаллической структуры и повышения плотности дислокаций, что способствовало выделению дисперсных фаз уже в ходе деформации. Кроме того, исследованием структуры с применением электронного микроскопа установлено, что после ВЭ в сплаве ВТ25У продукты распада значительно дисперснее (1.2 мкм), чем в стандартном структурном состоянии сплава (3.5 мкм). О формировании грубых выделе-

ISSN 1607-6885 Hoei Mamepia.nu i технологи в металурги та машинобудувант №2, 2013

111

а

б

Рис. 3. Микроструктура сплава ВТ25У после ИПД методом винтовой экструзии (2 прохода): а - участки с (а+а')- структурой, х1000; б - микронеоднородная структура, х 500; в - участки с а+Р- структурой, х1000

ний вторичной а- фазы, с неравномерным распадом после стандартной термомеханической обработки а+р- сплава, также отмечено в работе М.И. Шишкина [10].

Таким образом, после каждого прохода ВЭ в предварительно закаленном сплаве ВТ25У реализовано уп -рочнение как за счет интенсивной деформации, так и за счет распада метастабильной а''- фазы. Причем, в процессе ИПД происходило (а''^а')- превращение, которое на первых трех проходах ВЭ вызывало некоторое повышение пластичности. С увеличением количества проходов и соответственно повышением степени деформации происходила сдвиговая деформация а''- и а'- фаз, распад мартенситной структуры на а- и р- фазы, что вызывало снижение пластичности и затрудняло реализацию последующих проходов ИПД. Поэтому, необходимо назначать температуру каждого прохода ВЭ для сплава ВТ25У индивидуально и опытным путем определять температуру последнего деформационного воздействия, которое окончательно формирует структуру.

Выводы

В результате проведенного исследования установлено, что ИПД способствовала более интенсивному и равномерному распаду метастабильных фаз сплава ВТ25У с образованием дисперсной гетерогенной а+р-структуры, что обусловило повышение твердости сплава. Таким образом, в предварительно закаленном сплаве ВТ25У при винтовой экструзии происходило деформационное старение, что позволяет рассматривать возможность применения заготовок из данного сплава после ИПД без дополнительной упрочняющей термообработки.

Список литературы

1. Ночовная Н. А. Проблемы повышения ресурсных характеристик жаропрочных титановых сплавов / Н. А. Ночовная, В. Г. Анташев // Технология легких сплавов. -2008. - № 3. - С. 28-33.

2. Коваленко Т. А. Формирование стабильной субмикрокристаллической структуры в титане / Т. А. Коваленко, А. В. Овчинников // МиТОМ. - 2010. - № 2. - С. 35-43.

б

Рис. 4. Микроструктура сплава ВТ25У после ИПД методом винтовой экструзии (5 проходов):

а - х1000

3. Овчинников А. В. Получение заготовок субмикрокристаллических (а+Р)-титановых сплавов из слитков / А. В. Овчинников, Т. А. Коваленко // Теория и практика металлургии. - 2010 - № 5-6. - С. 11-15.

4. Влияние интенсивной пластической деформации на критическую температуру Ас3 титанового сплава ВТ8 / [Т. А. Коваленко, И. А. Овчинникова, О. С. Омельченко, Т. А. Глотка] // Строительство, материаловедение, машиностроение : сб. научн. тр. - Дн-вск : ПГСА, 2011. -Вып. 58. - С. 407-412.

5. Повышение деформационной способности жаропрочного титанового сплава ВТ25У / [Т. А. Глотка, М. Н. Пере-пелкина, Т. А. Коваленко, В. Г. Шевченко] // Строительство, материаловедение, машиностроение : сб. научн. тр. -Дн-вск : ПГСА, 2013. - Вып. 67. - С. 388-391.

6. Получение объемных металлических нано- и субмикрокристаллических материалов методом интенсивной пластической деформации / [С. В. Добаткин, А. М. Арсен-кин, М. А. Попов и др.] // - МиТОМ. - 2005. - № 5. -С. 29-34.

9. Возврат при старении в промышленных титановых сплавах / [Л. П. Лужников, В. М. Новикова, А. П. Мареев и др.] // МиТОМ. - № 12. - 1967. - С. 2-7.

10. Шишкина М. И. Влияние ВТМО на структуру и свойства сплава ВТ3-1 / М. И. Шишкина, В. С. Томсинский // МиТОМ. - 1977. - № 2. - С. 61-63.

Одержано 07.02.2014

Коваленко Т.О. Вплив штенсивноТ пластично'1 деформаци на старшня а+в- титанового сплаву

Дослiджено вплив iHmeHcueHoi пластично'1' деформацИ методом гвинтово'1' екструзИ на старiння складнолегованого титанового сплаву ВТ25У. Показано, що розпад метастабшьних фаз сплаву ВТ25У вiдбувався безпосередньо при iнтeнсивнiй деформацИ при бiльш низьких температурах, нiж за умов стандартного структурного стану сплаву, зутворенням диспeрснoi а+¡- структури i-з тдвищеною твeрдiстю.

Ключовi слова: титановий сплав, гвинтова eкструзiя, субмiкрoкристалiчна структура, старiння, метастабшьна фаза, розпад.

Kovalenko T. Influence of the intensive plastic strain on the (a+P)-titanium alloy ageing process

The influence of intensive plastic strain by screw extrusion method on doped titanium alloy ВТ25У ageing processes has been researched. It is shown than metastable phases of VT25U alloy decay progresses directly in intensive plastic strain process with lower temperatures, than with standard structural state of an alloy, and with formation of disperse а+в- structure that has higher strength.

Key words: titanium alloy, screw extrusion, submicrocrystalline structure, ageing, metastable phase, decay.

7. Влияние ИПД на процессы старения в Л1-8о и Л1-8о-Та сплавах / [А. Л. Березин, О. А. Молебный, А. А. Дави-денко и др.] // тезисы II междунар. научн. конф. «Нано-структурные материалы - 2010: Беларусь-Россия-Ук -раина», Киев, 19-22 октября 2010 г. - К. : 2010. - 346 с.

8. Винтовая экструзия - процесс накопления деформации / [Бейгельзимер Я. Е., Варюхин В. Н., Орлов Д. В. и др.]. -Донецк : Фирма ТЕАН, 2003. - 87 с.

УДК 669.786:669.15 - 194.55

Канд. техн. наук В. Я. Грабовський1, В. I. Канюка2, О. О. Слтченко1

1Запор1зький нацюнальний техычний уыверситет, м. Запор1жжя

2 ДП «УкрНД1спецсталь», м. Запор1жжя

ДОСЛ1ДЖЕННЯ ЗМ1НИ СЛУЖБОВИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕПЛОСТ1ЙКО1 ШТАМПОВО1 СТАЛ1 5 Х3В3МФС (ДИ23) ПРИ

ЛЕГУВАНН1 11 АЗОТОМ

Показано, що при легуванн1 теплостшко'1 штамповог сталi 5Х3В3МФС (ДИ23) азотом до 0,20 % в структурiутворюються крупш (до 20мкм) частинки нiтридiв ванадiю, що не розчиняються при температурi гартування. На^дком е зменшення частки ванадiю, що бере участь у карбiдному змiцненнi при вiдпусканнi. Цим пояснюеться встановлена в роботi вiдсутнiсть позитивного впливу легування азотом на стримання зростання зерна аустенту, теплостшюсть, високотемпературш механiчнi властивостi та працездаттсть сталi.

Ключовi слова: штампова сталь 5Х3В3МФС, легування азотом, мжроструктура, нiтриди ванадю, теплостшюсть, механiчнi властивостi.

Пвдвищення властивостей шструментальних сталей iз застосуванням особливостей економного легування е актуальною проблемою, осшльки дозволяе забезпе-чити покрашення показнишв експлуатащйних характеристик при зменшенш витрат. З огляду на це перспек-тивним е використання азоту, як легувального елемен-ту, ефектившсть чого встановлена переважно для нержавшчих конструкщйних та швидкорiзальних сталей [1-5]. 1снують також повщомлення щодо позитив-

них результапв такого легування штампових сталей для гарячого деформування [6-9]. Водночас мехатзм впливу азоту на зм^ мшроструктури та формування влас-тивостей штампових сталей потребуе детального досл-щження. Особливо складною та шнцево не встановле-ною е роль азоту, як легувального елементу, в штампових сталях високо! теплоспйкост! Пвдвищений вмют комплексу легувальних елеменпв ускладнюе та робить непередбачуваним вплив азоту на !х характери-

© В. Я. Грабовський, В. I. Канюка, О. О. Слпченко, 2013

ISSN 1607-6885 Нов1 матер1али i технологи в металурги та машинобудувант №2, 2013

113