Міністерство освіти і науки україни

Запорізький національний технічний університет

Овчинников Олександр Володимирович

УДК 669.295: 620.1

РОЗРОБКА НИЗЬКОЛЕГОВАНИХ ТИТАНОВИХ СПЛАВІВ ДЛЯ
ЕКСПЛУАТАЦІЇ ПРИ ЦИКЛІЧНИХ НАВАНТАЖЕННЯХ І В УМОВАХ АГРЕСИВНИХ СЕРЕДОВИЩ

05.02.01 - Матеріалознавство

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Запоріжжя – 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Запорізькому національному технічному університеті
Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор
Волчок Іван Петрович,
Запорізький національний технічний університет,
завідувач кафедри технології металів.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Шаповалова Оксана Михайлівна

Дніпропетровський національний університет,

зав. науково-дослідною лабораторією
„Нові матеріали та безвідходні технології”

кандидат технічних наук, доцент

Степанова Любов Петрівна,

Запорізький національний технічний університет,

доц. кафедри фізичного матеріалознавства.

Провідна установа: Фізико-механічний інститут ім. Г.В Карпенка НАН України, м. Львів.

.

Захист відбудеться 02.07.2004 р. о 13-30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 17.052.01 у Запорізькому національному технічному університеті

за адресою: 69063, м. Запоріжжя, вул. Жуковського, 64, ауд. 153.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Запорізького національного технічного університету: Україна, 69063, м. Запоріжжя, вул. Жуковського, 64.

Автореферат розіслано 01.06.2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук, професор Ю.М. Внуков

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Титан та його сплави як конструкційні матеріали мають високу міцність, пластичність, в'язкість, жароміцність і корозійну стійкість. За рівнем питомої міцності (відношення границі міцності до густини) титан перевершує більш легкі алюмінієві і магнієві сплави, а також деякі високоміцні сталі. Він є технологічним матеріалом, який має гарні ливарні властивості, зварюваність, пластичність, оброблюваність різанням, що збільшує область його використання. Унікальні властивості титанових сплавів надають широкі можливості для удосконалення устаткування, виробів і технологічних процесів у різних галузях промисловості. Значна корозійна стійкість титану та його сплавів у багатьох агресивних середовищах у порівнянні з неіржавіючими сталями, а також обмеженість нікелю в Україні робить його найкращим матеріалом для хімічної промисловості. Висока вартість устаткування з титану у порівнянні з вартістю устаткування з неіржавіючих сталей, окупується за рахунок збільшення терміну служби, зниження витрат на ремонти і можливості інтенсифікації хімічних процесів. Поширенню використання титану та його сплавів в Україні сприяє матеріально-сировинна база, а саме: наявність великих родовищ руд, що містять титан (8,4 млн. т), і налагоджене виробництво губчастого титану на Запорізькому титано-магнієвому комбінаті з обсягом потужностей до 6 тис. тонн на рік.

В той же час, головною перешкодою збільшення обсягів споживання титану є його початкова висока вартість. Одним із шляхів вирішення цієї проблеми є розробка економнолегованих титанових сплавів, які мають сприятливе сполучення механічних, технологічних і експлуатаційних властивостей. Найперспективнішими в цьому плані є - і псевдо - титанові сплави. Аналіз хімічного складу сплавів та їх властивостей дозволяє стверджувати, що показники механічних і службових характеристик даної групи сплавів можуть бути істотно підвищені методами оптимізації складів і модифікуванням у процесі плавлення.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні результати дисертаційної роботи отримано відповідно до тем: “Дослідження механізмів втомного пошкодження та підвищення циклічної міцності конструкційних матеріалів в екстремальних умовах”, номер державної реєстрації 0104U002075, що виконувалась в межах міждержавного співробітництва між Україною та Республікою Бєларусь з розвитку алюмінієвої та титанової промисловості, за планами НДР МОН України; “Дослідження, розробка та впровадження технології виробництва сплавів алюмінію та міді з використанням вторинної сировини”, номер державної реєстрації 0103U000113.

Мета і задачі дослідження. Мета даної роботи полягала у створенні нового конструкційного титанового сплаву із оптимальним сполученням міцності, пластичності, циклічної довговічності та корозійної стійкості.

Для досягнення поставленої мети було визначено наступні задачі досліджень:

1. За результатами аналізу існуючих сплавів на основі титану обґрунтувати систему комплексного легування титанових сплавів;

2. Визначити вплив хімічного складу сплавів і структурних факторів на механізми руйнування та характеристики механічних і службових властивостей;

3. Встановити кореляційні залежності, що описують характер зміни міцності, твердості і пластичності титанових сплавів у залежності від концентрації легуючих елементів обраної системи;

4. Дослідити вплив елементів системи легування на механізми руйнування - титанових сплавів при статичних і циклічних навантаженнях, а також в агресивних середовищах;

5. Встановити вплив модифікування на структуроутворення, механізми руйнування, механічні і службові властивості титанових сплавів;

6. Провести промислову апробацію розроблених низьколегованих титанових сплавів.

Об'єкт досліджень - низьколеговані титанові сплави та процеси їх руйнування під дією статичних і циклічних навантажень та агресивних середовищ.

Предмет досліджень - оптимізація конструкційного корозійностійкого титанового сплаву за ступенем легованості та високими механічними і службовими характеристиками.

Методи дослідження. Визначення хімічного складу сплавів здійснювали рентгеноспектральним і хімічним методами. Металографічні дослідження структури сплавів та фрактографічний аналіз зламів проводили з використанням оптичного і растрового електронного мікроскопів. Дослідження фазового стану сплавів робили рентгеноструктурним і енергодисперійним рентгеноспектральним методами. Визначення механічних характеристик проводили за стандартними методиками, при цьому для циклічних дослідів використовували спеціальну установку ІП-2М. Для дослідження корозійної стійкості титанових сплавів застосовували гравіметричний і електрохімічний методи. Оброблення статистичних даних виконували регресійно-кореляційним методом.

Наукова новизна отриманих результатів. Основні висновки, які характеризують наукову новизну роботи, полягають у наступному:

1. Встановлено регресійні залежності, що описують вплив Al, Zr, Mo і V на механічні властивості титанових сплавів з вмістом - стабілізаторів Mo і V у межах їх розчинності в - фазі.

2. Розширено уявлення щодо впливу Al, Zr, Mo і V на структуро -утворення і механізми руйнування низьколегованих - титанових сплавів при статичних і циклічних навантаженнях, а також у розчинах кислот. Встановлено, що в -титанових сплавах, легованих елементами Al, Zr, Mo і V, оптимальне сполучення міцності і пластичності при високих показниках корозійної стійкості досягається шляхом насичення - стабілізуючими елементами - фази за умов наявності - фази у кількості не більше 2%. Наявність - фази сприяє утворенню концентраційної мікронеоднорідності Mo і V між - і -фазами, а при її кількості понад 2 % починає знижуватися опір сплавів руйнуванню під дією агресивних середовищ.

3. Експериментально встановлено, що на малоциклову втому титанових - сплавів із системою легування Al-Zr-Mo-V визначний вплив мають діаметр зерна - фази і кількість - фази. Встановлено, що максимальну довговічність мають сплави з коефіцієнтом стабілізації -фази К= 0,15...0,20 та розміром - зерен 10...30 мкм.

4. Уперше досліджено закономірності впливу модифікування ітрієм на структуру і властивості титанових сплавів із системою легування Al–Zr–Mo–V. Встановлено, що оптимальне сполучення механічних і службових властивостей забезпечує концентрація ітрію 0,03...0,08 %, при більш високих концентраціях по межам зерен утворюються крихкі з’єднання ітрію з кремнієм і киснем, що погіршує вказані властивості.

Практична цінність отриманих результатів. Розроблено хімічний склад деформівного титанового сплаву, який має границю міцності ?в=750…850 МПа, відносне видовження ?=15...18 %, циклічну довговічність 1200…4700 циклів для = 0,70…0,36 %, а також швидкість корозії у 5 % HCl і 5 % H2SO4 нижче за 2 бали, а у 10 % HCl і 10 % H2SO4 не вище 5 і 6 балів відповідно.

Розроблено склад модифікованого титанового сплаву, який має в литому стані в= 850…910МПа, =10…14 %, довговічність 900…4700 циклів при ступені деформації = 0,70…0,36%, в в деформованому стані в=900…1100МПа, =14…17 %, рівень довговічності сплаву дорівнює 1100…5690 циклів при деформації 0,70...0,36%. Корозійна стійкість сплаву має такі показники: швидкість корозії у 5% HCl і 5% H2SO4 не перевищує 0,0035г/м2год, в 10 % HCl і в 10 % H2SO4 вона становить 0,065г/м2год і
0,010 г/м2год відповідно.

Розроблено технологічну інструкцію отримання зливок титанових сплавів на основі губчастого титану Запорізького титано – магнієвого комбінату.

Отримані результати досліджень і промислової апробації дають підставу важати, що застосування розроблених конструкційних корозійностійких титанових сплавів, замість промислових сплавів ВТ1-0 і ОТ4, дозволить збільшити термін служби вузлів установки для перекачування олеуму до 2,6 разів, при зниженні металоємності виробів на 50% і 20% відповідно. Результати досліджень підтверджено актом промислової апробації та рекомендаціями практичного використання сплавів.

Особистий внесок здобувача. Здобувачем особисто виконано аналіз існуючих сплавів на основі титану і дано оцінку їх працездатності в різних умовах експлуатації, розроблено методологію проведення експериментальних досліджень. На підставі отриманих результатів здобувачем доведено ефективність комплексного легування титанових сплавів елементами Al, Zr, Mo і V при їх оптимальному співвідношенні та запропоновано склад титанового сплаву з оптимальним сполученням міцності, пластичності, циклічної довговічності і корозійній стійкості. Автором визначено діапазон концентрацій модифікатора (ітрію) і оптимізовано склад модифікованого сплаву. Основні наукові результати, що включені в дисертацію, отримані автором самостійно.

Апробація результатів дисертації. Основні висновки і результати дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися: на II, III і IV Міжнародних наукових конференціях “Перспективні задачі інженерної науки”, Алушта, 2001 і 2002 р.р., Ігало, Республіка Чорногорія, 2003 р.; на 6 Міжнародному симпозіумі українських інженерів –механіків, Львів, 2003 р.; на Міжнародних наукових конференціях “Стародубовские чтения”, Дніпропетровськ, 2002 і 2003 р.р.; на Міжнародній науково-практичній конференції “Україна наукова”, Дніпропетровськ, 2003р.; на міжнародному семінарі “Комп'ютерне проектування технологій сучасного матеріалознавства”, Запоріжжя, 2002 р.; на IV і V міжнародних молодіжних науково-практичних конференціях “Людина і космос”, Дніпропетровськ, 2002 і 2003 р.р..

Публікації. За результатами проведених досліджень опубліковано 14 друкованих праць, серед них: 3 статті у наукових журналах та 4 публікації в збірниках наукових праць, затверджених ВАК України, а також у 6 матеріалах і тезах конференцій. Отримано 1 патент України на винахід.

Структура й обсяг дисертації. Робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, містить список використаних джерел та додатків. Загальний обсяг дисертації складає 155 сторінок, із них 110 сторінок основного тексту, 11 таблиць, 44 рисунки, а також список 124 літературних джерел на 11 сторінках та 5 додатків на 22 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розглянуто актуальність роботи, обґрунтовано її мету і сформульовано задачі, об'єкт і предмет досліджень, надано інформацію щодо наукової новизни і практичної цінності отриманих результатів досліджень.

У першому розділі проаналізовано стан світового виробництва титану, а також матеріально-технічну базу і перспективи виробництва титанових сплавів в Україні. Показано актуальність і економічну доцільність отримання титанових сплавів на базі металургійних підприємств України шляхом завершення технологічного циклу існуючого виробництва губчастого титану.

Огляд областей застосування титану і сплавів на його основі показав, що в останні роки його використання зросло для вузлів і деталей загального призначення у машинобудівній, хімічній та інших галузях промисловості. Особливо перспективним є застосування титанових сплавів у хімічній та нафтогазовій промисловостях. Аналіз умов експлуатації вузлів і деталей у цих галузях показав, що вони зазнають як статичних, так і знакозмінних навантажень у сполученні з пружною та пружнопластичною деформацією, а також впливу агресивних середовищ. Тому для підвищення надійності і довговічності конструкційні матеріали повинні поєднувати високу міцність і пластичність з корозійною стійкістю. На підставі аналізу механічних і службових властивостей промислових титанових сплавів зроблено висновки про те, що найбільше цім вимогам відповідають -сплави, леговані - стабілізуючими елементами, при цьому показники механічних і службових характеристик такого типу сплавів можна значно підвищити шляхом оптимізації їх складів та модифікуванням.

Аналіз існуючих сплавів показав, що найбільш раціональними є титанові сплави леговані елементами Al, Zr, Mo і V. Однак концентрації компонентів, що входять в цю систему легуючих елементів, вимагають більш глибокого дослідження та уточнення. Крім того, необхідне проведення досліджень для розширення уявлень щодо впливу складу і структури сплавів на механізми їх руйнування при статичних і циклічних навантаженнях, а також під дією агресивних середовищ.

Враховуючи умови праці вузлів і деталей відповідального призначення, актуальним питанням є підвищення міцності низьколегованих титанових сплавів при збереженні високого рівня інших механічних та службових властивостей. Одним із найефективніших і достатньо економічних способів досягнення зазначених вимог є модифікування. При цьому, виходячи з термодинамічних, механічних, службових і економічних характеристик, встановлено, що найбільш раціональним модифікатором для групи титанових сплавів, які досліджувались, є ітрій.

У цілому, аналіз результатів відомих досліджень і рішень дозволив визначити і сформулювати основні задачі досліджень, що включають закономірності впливу елементів системи легування Al-Zr-Mo-V і модифікучого елементу Y на структуроутворення, механізми руйнування, механічні та службові характеристики титанових сплавів.

У другому розділі обговорені основні методологічні аспекти роботи, спрямовані на розробку складів низьколегованих титанових сплавів загального призначення, які забезпечують підвищення надійності, довговічності та економічної доцільності вузлів і деталей, що працюють у хімічній, нафтогазовій, металургійній та інших галузях промисловості. При цьому титанові сплави як конструкційні матеріали повинні забезпечувати, насамперед, високий рівень міцності у сполученні з високою пластичністю і циклічною довговічністю, а також бути корозійностійкими в агресивних середовищах. Тому пріоритетним напрямком досліджень було підвищення механічних властивостей при збереженні високого рівня службових характеристик шляхом оптимізації складу і модифікування титанових сплавів, а також вивчення взаємозв'язку структури з механічними властивостями і корозійною стійкістю.

Титанові сплави у вигляді виливків отримували вакуумно-дуговим переплавленням електроду, що витрачається, з губчастого титану ТГ-100 (ДСТУ 3079-95) в мідному кристалізаторі. Далі титанові виливки піддавали обробці за режимами: кування зі ступенем деформації 60%, при температурі 900...930 оС; відпалювання у лабораторній вакуумній печі при температурі 8305 оС протягом 2 годин при вакуумі 2,6...4,010-2 Па.

Визначення хімічних складів сплавів здійснювали рентгеноспектральним методом (ГОСТ19863.1-91…ГОСТ1986.12-91). Металографічні дослідження структури сплавів та фрактографічний аналіз зламів проводили з використанням оптичного і растрового електронного мікроскопів. Дослідження фазового стану сплавів робили рентгеноструктурним і енергодисперійним рентгеноспектральним методами. Для оцінки механічних властивостей титанових сплавів, що досліджували, використовували стандартні методи (ГОСТ1497-84, ДСТУ 2824-94, ГОСТ23667-79 і ГОСТ9013-69).

Оцінку довговічності титанових сплавів при циклічних навантаженнях проводили методом дослідження на малоциклову втому на установці ІП-2М згідно ДСТУ2444-94, ГОСТ 25.505-85.

Для визначення корозійної стійкості використовували стандартні методи (ГОСТ9.908-85, ДСТУ2733-94), а також метод прискореного визначення корозійної стійкості шляхом вимірювання поляризаційного опору двохелектродного датчика постійного струму. Як робоче середовище використовували розчини сірчаної і соляної кислот. Електрохімічні характеристики сплавів у зазначених середовищах вивчали на потенціостаті П-5848 методом побудови анодних потенціодинамічних кривих.

Оброблення експериментальних даних і встановлення функціональних зв'язків “склад – властивості” проводили стандартними методами регресійного аналізу та математичної статистики.

У третьому розділі на підставі аналізу механічних і службових властивостей промислових титанових сплавів обрано такий рівень характеристик титанових сплавів, що розроблюються: границя міцності в 750 МПа, відносне видовження 15%, витривалість при циклічних навантаженнях у відповідності із довговічністю серійного сплаву ВТ20 та корозійна стійкість у 5 і 10% розчинах соляної і сірчаної кислот не більше 2 та 6 балів відповідно.

На підставі металографічного аналізу встановлено залежності впливу концентрації легуючих елементів Al, Zr, Mo і V на структурні складові титанових сплавів. Збільшення вмісту - стабілізуючого елементу Al з 2 до 3,2% при низькому вмісті - стабілізуючих елементів Mo і V (К =0,03) призвело до збільшення розміру зерен металевої матриці D з 255...280 до 270...310 мкм і збільшення товщини - пластин b з 6...8 до 8...10мкм. Збільшення вмісту
- стабілізуючих елементів Mо і V до К=0,15...0,20 (сплав 1,9% Al; 1,1% Zr; 1,1% Mo; 1,3% V) сприяло зменшенню розмірів зерен до D = 170...200 мкм і - пластин до b = 4 мкм. Такий вплив Mо і V можна пояснити підвищенням кількості - фази між - пластинами і потоншенням останніх.

Після механічної та термічної обробки, проведеної за режимами, наведеними у розділі 2, сплави мали структуру, яка відповідала коагульованим
- зернам розміром 10...52 мкм. Сплави з низьким вмістом легуючих елементів (К =0,03) мали гомогенну структуру з розміром - зерен 40...52 мкм, що забезпечувало границю міцності 600...700 МПа, твердість 1650...1800МПа разом із високою пластичністю (до = 20%, = 47%).

Аналіз поверхонь зламів зразків із зазначених сплавів при одновісному розтягуванні показав, що руйнування мало мішаний характер (квазісколювання), з областями крихкого руйнування по межах зерен. Підвищення вмісту Al і Zr призвело до підвищення міцності (в = 800...880 МПа) при значному зниженні пластичності (в середньому =13%). Сплави з К = 0,17 містили Mo і V вище граничної розчинності в - матриці і мали розмір зерна порядку 10...15 мкм із виділеннями частинок - фази розміром 2...4 мкм у кількості більше 2%. Зменшення розміру зерен, збільшення рівня твердорозчинного зміцнення, а також наявність частинок - фази в об’ємі -матриці дозволило отримати рівень границі міцності порядку 880 МПа при відносному видовженні близько 15 %. Для даних сплавів є характерним в’язке руйнування з розміром "чашок" 5...10 мкм, що вказує на високу енергію руйнування. Однак виділення - фази по межах зерен не дозволило отримати більш високий рівень механічних властивостей.

Встановлено, що зміна концентрації Al, Zr, Mo і V в межах максимальної розчинності в - фазі, призводила до зміни механічних властивостей внаслідок дії таких механізмів: твердорозчинного зміцнення від введення кожного елементу окремо; додаткового зміцнення від комплексного введення легуючих елементів (наявність кооперуючої дії); зменшення розміру структурних складових і утворення дисперсних частинок - фази, які перешкоджували рухові дислокацій.

Для досягнення необхідного рівня механічних властивостей проводили оптимізацію вмісту елементів для системи легування Al-Zr-Mo-V. На підставі експериментальних даних було отримано рівняння регресій, що описували вплив цих елементів на механічні властивості, які зі значенням коефіцієнтів множинної кореляції наведено нижче:

(r = 0,985);

(r = 0,991);

(r = 0,988);

(r = 0,915).

Отримані рівняння достатньо повно описують закономірності зміни механічних властивостей сплавів Tі-Al-Zr-Mo-V при вмісті - стабілізуючих елементів в границях їхньої розчинності в - фазі. Крім того, отримані залежності враховують ефект комплексної взаємодії легуючих елементів. Шляхом оптимізації регресійних рівнянь (рис. 1) визначено склад титанового сплаву: 2,5...3,2%Al; 1,0...1,5% Zr; 0,2...1,0% Мо і 0,2...1,0% V, який забезпечує достатньо високий рівень характеристик: в= 750...850 МПа і =15...18%.

З метою оптимізації складу за рівнем службових властивостей досліджено вплив складу і структури титанових сплавів із системою легування Al-Zr-Mo-V на механізми корозійного руйнування в 5%-них розчинах HCl і H2SO4, в яких титан вважається пасивним, і в 10%-них розчинах HCl і H2SO4, в яких титан може бути як у пасивному, так і в активному стані.

Вміст Al і Zr приймали постійним, який дорівнював 3% алюмінієвого еквіваленту, що приблизно відповідає середньому вмісту зазначених елементів у сплаві з оптимальним рівнем механічних властивостей. Легуючі елементи Mo і V вводили зростаючими присадками в кількості, котра забезпечувала зміну молібденового еквіваленту (Моекв=Мо+V/1,4) від 0,2 до 1,5%, що дозволило одержати як гомогенну, так і гетерогенну структуру (до 5% - фази).

Рис. 1. Оптимізація складу титанового сплаву за рівнем міцності і пластичності,
при Alекв,=%Al+ %Zr/3.

Результати досліджень показали, що підвищення вмісту ізоморфних - стабілізуючих елементів в концентраціях, нижчих за границю розчинності в -фазі, призвело до зниження щільності максимального анодного струму більш ніж у 2 рази, в меншому ступені (на 30% ) знизився струм пасивного стану, а відповідні їм потенціали практично не змінились (рис. 3). Гальмування анодних процесів пояснюється одночасною дією Mo і V за механізмами анодного і катодного легування. Підвищення вмісту -стабілізаторів вище їхньої граничної розчинності в - фазі забезпечувало появу в структурі виділень -фази, при цьому спостерігалося підвищення значень критичних струмів. Так, при вмісті - фази понад 2%, щільність анодного струму пасивації збільшилася на 20...25%, а повної пасивації - в середньому на 10...20% (див. рис. 3). Зниження пасивованості пов'язане з утворенням микрогальванопар внаслідок виникнення концентраційної мікронеоднорідності легуючих елементів між - і -фазами, що підтвердили дані рентгеноструктурного і енергодисперсійного рентгеноспектрального аналізів.

а б

Рис.2. Анодні потенціодинамічні поляризаційні криві титанових сплавів: 1 - 3,3%Al; 1,0%Zr; 0,2%Mo; 0,1%V;

2 - 2,9%Al; 1,1%Zr; 0,4%Mo; 0,5%V;

3 - 3,0%Al; 0,8%Zr; 1,1%Mo; 1,4%V;

а - 10%HCl; б - 10%H2SO4.

Результати досліджень загальної корозійної стійкості як у розчинах 5%HCl і 5%H2SO4, так і в 10%HCl і 10%H2SO4, показали зниження швидкості корозії у 2...3 рази, при збільшенні вмісту -стабілізаторів в гомогенних сплавах, і її підвищення на 20...30 %, при вмісті - фази понад 2% (рис. 3).

а б

Рис. 3. Вплив молібденового еквіваленту на корозійну стійкість титанових сплавів.

Отримані результати дозволили встановити, що сплав, який містить 2,5...3,2%Al; 1,0...1,5% Zr, 0,3..0,8 % Mo; 0,5...1,0 % V має найвищу корозійну стійкість, яка у 5% HCl і 5%H2SO4 не перевищує 2 бали, а в 10% HCl і 10%H2SO4 має 5 і 6 балів відповідно (ГОСТ 9.908-85, ДСТУ2733-94). Згаданий вище склад відповідає встановленому рівню механічних характеристик: в = 750...850 МПа і = 15...18%.

З метою визначення впливу структурних факторів, а також елементів системи легування Al-Zr-Mo-V на механізми руйнування при циклічних навантаженнях з частотою до 50 Гц у сполученні з пружною та пружно-пластичною деформаціями проводили досліди на малоциклову втому. Дослідження здійснювали на плоских зразках-шліфах згідно ДСТУ 2444-94 і
ГОСТ 25.505-85 при "жорсткому навантаженні" і трьох різних ступенях деформації: =±0,36; 0,50 і 0,70%. Досліджували три рівня легування: сплави з низьким вмістом - легуючих елементів (К = 0,12), в границях розчинності (К = 0,15) і псевдо - сплави (К = 0,20).

Встановлено, що при циклічних навантаженнях інтенсивність тріщиноутворення і довговічність сплавів залежить від розміру -зерен, а також від кількості і морфології виділень -фази. В сплавах з розміром зерна 45…58мкм (К = 0,12), зародження і розвиток тріщин відбувалося по міжзеренних межах. В сплавах з розміром зерен 10...35 мкм (К = 0,15...0,20) зародження і розвиток тріщин відповідало транскристалітному механізму, при цьому для даних сплавів характерна мінімальна швидкість розвитку тріщин (рис. 4 а).

а б

Рис. 4. Вплив розміру зерна титанових сплавів і ступеня деформації на:

а - швидкість розвитку тріщини Vтріщ;

б - довговічність до руйнування N.

Цифри біля кривих - ступінь деформації , %.

Встановлено, що сплав Al = 3,7 %; Zr = 1,2 %; Mo = 1,1 %; V = 1,3 % (К=0,20) із дрібнозернистою рекристалізованою структурою, що складається з - зерен розміром 15±5 мкм, мав максимальну довговічність 1200 циклів при деформації ±0,70 %, 2800 циклів при =±0,50 %, і 4700 циклів при = ±0,36 %.

З урахуванням використання титанових сплавів у литому і деформованому стані для виробів відповідального призначення, досліджували можливість підвищення механічних властивостей розробленого титанового сплаву 2,5...3,2 % Al; 1,0...1,5 % Zr; 0,3...0,8 % Мо і 0,5...1,0 % V шляхом модифікування його ітрієм. Ітрій вводили зростаючими присадками в кількості до 0,60 %. Встановлено, що при концентрації ітрію в границях 0,03...0,08% в литих сплавах спостерігалося зменшення розмірів зерен з 170...230 до 100 мкм, а також товщини - пластин з 4...7 до 2 мкм. В деформованих сплавах також мало місце зменшення розмірів структурних складників. Подальше підвищення концентрації ітрію (понад 0,08 %) приводило, за даними металографічного і рентгеноспектрального аналізів, до виділення на межах зерен сполучень YnOm і YnSim.

Встановлено, що вміст ітрію в межах 0,03...0,08% дозволив підвищити границю міцності в до 20% і відносне подовження на 30..40% для литих сплавів, а також в на 20...25% без істотної зміни для деформованих сплавів (рис. 5).

а

б

Рис. 5. Вплив ітрію на механічні властивості:

а - литих; б - деформованих титанових сплавів.

Результати циклічних досліджень, а також корозійної стійкості модифікованих сплавів показали, що рівень зазначених властивостей сплаву істотно не відрізняється від властивостей базового складу.

Порівняльний аналіз властивостей розроблених титанових сплавів, а також серійних промислових - титанових сплавів показав, що рівень механічних властивостей розроблених сплавів перевищує сплави ОТ4, АТ3, ВТ5 і наближається до властивостей більш легованих сплавів ВТ6 і ВТ20, при цьому корозійна стійкість розроблених сплавів перевищують промислові в 2...3,5 рази. Розроблені сплави відрізняються від промислових титанових сплавів ВТ20 і ВТ6 (ГОСТ 19807-91) тим, що містять менші в 1,8...2,2 рази кількості легуючих елементів і мають на 15...50 % вищі показники пластичності при практично такому ж рівні міцності.

В четвертому розділі розглянуто результати промислової апробації розроблених титанових сплавів для вузлів перекачувальної установки, що працює з розчином олеуму. Аналіз пошкоджуваності дозволив встановити, що вузли установки, які виготовлені з промислових титанових сплавів, в процесі експлуатації зазнають загальну корозію. Тому заміна промислових сплавів більш корозійностійкими матеріалами дозволить підвищити надійність і довговічність установки.

Результати промислових випробувань показали, що швидкість корозії розроблених сплавів у 2,6 рази менша за таку для сплавів ВТ1-0 і ОТ4. Це, відповідно до результатів досліджень, пов'язано з раціональним вмістом легуючих елементів в дослідних сплавах, що сприяє гальмуванню анодних процесів і підвищенню загальної корозійної стійкості цих сплавів у порівнянні зі сплавами ВТ1-0 і ОТ4. Показник питомої міцності розроблених сплавів вище, ніж для сплаву ОТ4 на 25 % і приблизно в 2 рази, ніж для сплаву ВТ1-0.

Отримані результати дозволяють рекомендувати розроблені низьколеговані титанові сплави (2,5...3,2% Al; 1,0...1,5% Zr; 0,3...0,08% Мо; 0,5...1,0% V та такий самий склад з додатком 0,03...0,08 Y %) для роботи в умовах статичних і циклічних навантажень, а також в агресивних середовищах хімічної і металургійної промисловості замість серійних ?- та псевдо ?- титанових сплавів.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Показано, що сьогодення потребує створення титанових сплавів загального призначення, які повинні одночасно забезпечувати високий рівень механічних, службових і технологічних властивостей у сполученні з низьким вмістом легуючих елементів. Певною мірою зазначеним вимогам відповідають низьколеговані - титанові сплави, однак концентрація легуючих елементів в них не забезпечує потрібного поєднання зазначених вище властивостей, крім того механізми руйнування цих сплавів (при критичному вмісті - стабілізуючих елементів) ще недостатньо вивчені. Це робить актуальним і економічно доцільним вивчення механізмів руйнування і розроблення нових низьколегованих титанових сплавів широкого призначення з оптимальним поєднанням механічних та службових характеристик..

2. На підставі аналізу складів і властивостей існуючих титанових сплавів, обрано систему комплексного легування титану: Al-Zr-Mo-V.

3. Встановлено залежності впливу складу та структурних факторів на механізми руйнування та характеристики механічних та службових властивостей низьколегованих - титанових сплавів. Показано, що вміст Mo та V у границях розчинності в - фазі забезпечує підвищення механічних властивостей, а більш високі концентрації цих елементів сприяють утворенню -фази, яка зменшує пластичність та знижує приріст міцності сплавів.

4. Розроблено регресійні моделі, що описують сумісний вплив, легуючих елементів Al, Zr, Mo і V на зміну границі міцності, твердості, відносного видовження і відносного звуження. Отримана область оптимуму складу титанового сплаву 3,0...3,2% Al; 1,0...1,5% Zr; 0,2..1,0 % Mo; 0,2...1,0 % V, що забезпечує границю міцності на рівні в = 750...850 МПа при відносному видовженні = 15...18%.

5. Досліджено вплив системи легування Al-Zr-Mo-V, а також структурних факторів на електрохімічні характеристики і корозійну стійкість - титанових сплавів у розчинах кислот. Встановлено, що сплав 3,0...3,2% Al, 1,0...1,5% Zr, 0,3..0,8% Mo, 0,5...1,0% V при зазначеному рівні механічних властивостей забезпечує швидкість корозії в 5% HCl і 5% H2SO4 не більше 2 балів, а в 10% HCl і 10% H2SO4 не більше 5 і 6 балів відповідно.

6. Розширено уявлення про вплив легуючих елементів (Al, Zr, Mo і V) і структури на механізми руйнування і довговічність -титанових сплавів при малоциклових навантаженнях. Отримано експериментальні залежності показників довговічності від складу і кількісних показників структури (розмір і кількість - та -фази) розробленого титанового сплаву.

7. Встановлено вплив ітрію на структуроутворення, механізми руйнування, механічні і службові характеристики литих титанових сплавів. Розроблено титановий сплав: 2,5…3,2% Al; 1,0…1,5% Zr; 0,3..0,8% Mo; 0,5…1,0% V; 0,03…0,08% Y, який має розмір литих - зерен 100…120 мкм та товщину - пластин в середньому 2мкм, що забезпечує в= 850…910 МПа, =10…14%, при цьому довговічність сплаву складає 900…4700 циклів для деформації 0,70…0,36 %; в деформованому стані сплав має в=900…1100 МПа, =14…17%, рівень довговічності 1100…5690 циклів при деформації 0,70…0,36%. Швидкість корозії модифікованого сплаву в 5% HCl і 5%H2SO4 не перевищує 0,0035 г/м2год, в 10%HCl та в 10%H2SO4 складає 0,065г/м2год и 0,010 г/м2год відповідно.

8. Отримані титанові сплави пройшли промислове випробування. Результати промислових досліджень на Запорізькому титано-магнієвому комбінаті в установці для перекачування олеуму показали, що при використанні титанових сплавів 2,5…3,2% Al; 1,0…1,5% Zr; 0,3..0,8% Mo; 0,5…1,0% V, а також 2,5…3,2% Al; 1,0…1,5% Zr; 0,3..0,8% Mo; 0,5…1,0% V; 0,03…0,08% Y замість промислових сплавів ВТ1-0 и ОТ4, можна очікувати збільшення строку служби вузлів установки до 2,6 разів, при зниженні металоємності виробів на 50% і 20% відповідно.

СПИСОК ПУБЛІКАЦІЙ

1. Овчинников О.В. Перспективи виробництва титанових сплавів // Машинознавство. – 2000. - №10(40). – С.41-44.

2. Овчинников А.В., Волчок И.П. Оптимизация состава титанових сплавов с системой легирования Аl-Zr-Mo-V // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні, 2002. - №1. – С.37-40.

(Здобувачем встановлено систему легуванні та оптимизовано склад титанового сплаву за механічними характеристаками.)

3. Овчинников О.В. Вплив структурних чинників на втомне руйнування титанових сплавів // Машинознавство. – 2004. - №1. – С.44-48.

4. Овчинников А.В., Волчок И.П. Влияние иттрия на микромеханизм разрушения экономнолегированных титановых сплавов // Строительство, материаловедение, машиностроение: Сб. научн. трудов. Вып.15, ч.1 – Днепропетровск: ПГАСА, 2002. – С. 185-186.

(Здобувачем встановлено оптимальний вміст ітрію та досліджено механізми руйнування титанових сплавів.)

5. Овчинников А.В Влияние структурных факторов на коррозионную стойкость титановых сплавов системы Ti- Аl-Zr-Mo-V // Перспективные задачи инженерной науки: Сб. науч. трудов. Вып.3. – Днепропетровск: Gaudeamus, 2002. – С. 89-92.

6. Овчинников А.В., Волчок И.П. Малоцикловая усталость титанових сплавов // Строительство, материаловедение, машиностроение: Сб. научн. трудов. Вып.22, ч.1. – Днепропетровск: ПГАСА, 2003. – С. 101.

(Здобувачем ексепериментально отримано залежності впливу структурних факторів на циклічну втому титанових сплавів та досліджено їх механізми руйнування.)

7. Сплав на основі титану: Пат.58671А Україна, МКВ С22С14/00// О.В.Овчинников, І.П. Волчок (Україна): №2002042848; Заявлено 09.04.02; Опубл. 15.08.03, Бюл. №8. – 3с

(Здобувачем встановлено залежності впливу хімічного складу на механічні та службові характеристики титанових сплавів, та оптимізовано вміст легуючих елементів.)

8. Овчинников А.В Оптимизация состава и свойств титановых сплавов // Перспективные задачи инженерной науки: Сб. научн. трудов. Вып.2. – Днепропетровск: Gaudeamus,- 2001- С. 152-158.

9. Овчинников А.В. Повышение коррозионной стойкости титановых сплавов // Строительство, материаловедение, машиностроение: Сб. науч.трудов. - Вып.12. ч.1.– Днепропетровск: ПГАСА. - 2001. – С. 179.

10. Овчинников А.В. Влияние системы легирования Аl-Zr-Mo-V на механизмы разрушения титановых сплавов при циклических нагрузках // Нові конструкційні сталі та стопи і методи їх обробки для підвищення надійності та довговічності виробів: Зб. наук. праць. – Запоріжжя: ЗНТУ, 2003. – С. 132-133.

11. Овчинников О.В. Вплив структурних чинників на втомне руйнування титанових сплавів // Збірник тез. шостого Межнар. симпозіуму українських інженерів-механіків у Львові. – Львів: КІНПАТРІ ЛТД. - 2003. – С. 142.

12. Овчинников А.В. Влияние - стабилизирующих элементов на литую структуру низколегированных титановых сплавов с системой Аl-Zr-Mo-V // Збірник тез. Межнар. науково – практичний конф. “Україна наукова 2003”. – Дніпропетровськ: Наука і освіта. - 2003. – С. 13-14.

13. Овчинников А.В., Волчок И.П. Влияние иттрия на механические свойства титановых сплавов // Збірник тез. 4-ї Межнар. молодіжної науково-практичної конф. ”Людина і космос”. - Дніпропетровськ: НЦАОМУ - 2002. – С. 266.

(Здобувачем отримано експериментальні дані та особисто встановлено закономірності впливу ітрію на механічні властивості титанових
сплавів.)

14. Овчинников А.В. Влияние системы легирования Аl-Zr-Mo-V на электрохимические характеристики титановых -сплавов // Збірник тез. 5-ї Межнар. молодіжної науково-практичної конф. ”Людина і космос”. - Дніпропетровськ: НЦАОМУ. - 2003. – С. 120.

АННОТАЦИЯ

Овчинников А.В. Разработка низколегированных титановых сплавов для эксплуатации при циклических нагрузках и в условиях агрессивных сред. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.01-“Материаловедение”. Запорожский национальный технический университет, Запорожье, 2004.

Диссертация посвящена созданию новых конструкционных коррозионностойких титановых сплавов с оптимальным сочетанием комплекса механических и служебных свойств. В работе показаны основные направления использования титановых сплавов и целесообразность разработки составов низколегированных титановых сплавов широкого назначения с оптимальным сочетанием прочности, пластичности, циклической выносливости и коррозионной стойкости. На основании анализа известных титановіх сплавов, выбрана рациональная система комплексного легирования титана (Al-Zr-Mo-V) и обоснована необходимость изучения механизмов разрушения титановых сплавов с указанной системой легирования при критических содержаниях -стабилизирующих элементов. Представлены основные методологические аспекты работы. Обоснован выбор методов и оборудования исследований и проанализированы особенности исследования структуры, механических и служебных характеристик. Представлены результаты и анализ исследований, на основании которых установлены зависимости влияния состава и структурных факторов на механизмы разрушения, а также на характеристики механических и служебных свойств низколегированных -титановых сплавов. Разработаны регрессионные модели, описывающие влияние системы легирования Al-Zr-Mo-V на изменение предела прочности, твердости, относительного удлинения и относительного сужения. Оптимизирован состав титанового сплава, который обеспечивает предел прочности в = 750…850 МПа при относительном удлинении = 15…18%. Установлены закономерности влияния системы легирования Al-Zr-Mo-V, а также структурных факторов на электрохимические характеристики и коррозионную стойкость -титановых сплавов в растворах кислот. Расширенны представления о влиянии легирующих элементов и структуры на механизмы разрушения и долговечность -титановых сплавов при малоцикловых нагрузках. Получены экспериментальные зависимости показателей долговечности от состава и количественных показателей структуры разработанного титанового сплава. Уточнены концентрации легирующих элементов разработанного сплава, обеспечивающие оптимальное сочетание прочности, пластичности, циклической выносливости и коррозионной стойкости (сплав 3,0…3,2% Al; 1,0…1,5% Zr; 0,3...0,8% Mo; 0,5…1,0% V). Установлены закономерности влияния модифицирования иттрием на структурообразование, механизмы разрушения, механические и служебные свойства литых и деформированных титановых сплавов, что позволило определить концентрации эффективного действия модификатора: 0,03…0,08% Y.

Разработанные составы титановых сплавов прошли промышленную апробацию на Запорожском титано - магниевом комбинате. Результаты промышленных испытаний на установке для перекачки олеума дали основание предположить, что применение разработанных сплавов взамен промышленных сплавов АТ4 и ВТ1-0 может увеличить срок службы узлов установки до 2,6 раз и снизить металлоемкость на 20…50%. Разработанные низколегированные титановые сплавы, согласно полученным заключениям промышленных предприятий, могут быть рекомендованы для использования в химической, металлургической, и других областях промышленности взамен - и псевдо - титановых сплавов.

Ключевые слова: титан, легирование, структура, прочность, усталость, коррозионная стойкость, модифицирование, иттрий.

АНОТАЦІЯ

Овчинников О.В. Розробка низьколегованих титанових сплавів для експлуатації при циклічних навантаженнях і в умовах агресивних середовищ. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01 – “Матеріалознавство”. Запорізький національний технічний університет, Запоріжжя, 2004.

Дисертацію присвячено створенню нових конструкційних корозійностійких титанових сплавів з оптимальним поєднанням механічних і службових характеристик. Встановлено закономірності впливу складу сплавів і структурних факторів на механізми руйнування і характеристики механічних властивостей, малоциклову втому, а також електрохімічні характеристики і корозійну стійкість низьколегованих -титанових сплавів (Ti-Al-Zr-Mo-V). Отримано експериментальні залежності і встановлено закономірності впливу модифікування ітрієм на структуроутворення, механізми руйнування, механічні і службові характеристики литих і деформованих титанових сплавів. Розроблені склади титанових сплавів пройшли промислову апробацію, в результаті якої отримано рекомендації щодо використання цих сплавів в промисловості.

Ключові слова: титан, легування, структура, міцність, втома, корозійна стійкість, модифікування, ітрій.

SUMMARY

Ovchinnikov A.V. “Work out of low alloyed titanium alloys for operation at cyclic loads and in aggressive media”. - Manuscript.

Dissertation on scientific degree of the candidate of technical sciences on а speciality 05.02.01- material science. Zaporizhzhya National Technical University, Zaporizhzhya, 2004.

The thesis is dedicated to work out of new structural corrosion resistant titanium alloys with optimum combination of mechanical and servise properties. The phenomenon of influence of chemical composition and structural factors on mechanisms of fracture, mechanical properties, low-cycle fatigue, electrochemical characteristics and corrosion resistance of low alloyed titanium alloys (Ti-Al-Zr-Mo-V) are studied. The experimental dependences are received and the legitimacies of influence of modification by yttrium on the structure, fracture mechanism, mechanical and servise properties of the cast and deformed titanium alloys are presented. The worked out