НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ МЕТАЛОФІЗИКИ ім. Г. В. КУРДЮМОВА

АНТОНЮК Сергій Лазаревич

УДК 669.295:620.178

РОЗРОБКА І ВПРОВАДЖЕННЯ ВИСОКОМІЦНОГО

ТИТАНОВОГО СПЛАВУ ДЛЯ ЗВАРНИХ КОНСТРУКЦІЙ

АВІАЦІЙНОГО ПРИЗНАЧЕННЯ

05.16.01 – металознавство і термічна обробка металів

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2006

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті електрозварювання ім. Є. О. Патона НАН України та АНТК ім. О. К. Антонова

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор НАН України

Замков Вадим Миколаєвич,

Інститут електрозварювання ім. Є. О. Патона НАН України

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук,

Тельович Роман Володимирович,

Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України,

завідувач лабораторії

кандидат технічних наук,

Пічугін Анатолій Тимофійович,

Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка НАН України,

старший науковий співробітник

Провідна організація: Національний технічний університет України (Київський політехнічний інститут), кафедра металознавства і термічної обробки металів

Захист відбудеться 10.05. 2006 р. о 13-30 год.

на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.168.01 при Інституті металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України за адресою: 03142, м. Київ, бульв. Акад. Вернадського, 36.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України за адресою - 03142, м. Київ, бульв. Акад. Вернадського, 36.

Автореферат розіслано 08.04.2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

доктор фізико-математичних наук В. К. Піщак

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Титан та його сплави мають цінний комплекс властивостей – малу густину, високу стійкість проти атмосферної та сольової корозії, відносно низький коефіцієнт термічного розширення та високу питому міцність, яка до температур 450 С перевищує питому міцність більшості конструкційних матеріалів, що у поєднанні з корозійною стійкістю та жаростійкістю робить їх незамінним матеріалом для літакобудування. Однак, перераховані фактори є необхідними, але не достатніми для їх застосування в указаній галузі.

Важливим фактором, що обумовлює використання титанових сплавів в авіаційній техніці є їх зварюваність. Останнім часом при проектуванні літаків все більша увага приділяється використанню зварних конструкцій та вузлів, які виготовляються із титанових сплавів високої міцності (В  1100 МПа). При цьому основна вимога до таких вузлів полягає у забезпеченні фізико-механічних властивостей зварних з’єднань на рівні властивостей основного металу. Проте зварюваність існуючих високоміцних титанових сплавів і зокрема високолегованого сплаву ВТ22, як одного з найбільш поширеного з високоміцних конструкційних сплавів, використання яких може дати найбільший ваговий ефект, значно поступається малолегованим сплавам. Як відомо, сплав ВТ22 належить до сплавів критичного складу, що приводить до формування у металі зварного шву та зони термічного впливу (ЗТВ) фазового складу та структурного стану, які зумовлюють низькі пластичність та ударну в’язкість. Для підвищення пластичності зварних швів сплаву ВТ22, зварювання виконують з використанням низьколегованого дроту СПТ2, що понижує ступінь легування у зоні зварного з’єднання. Після термічної обробки, мета якої полягає у забезпеченні необхідного рівня пластичності, міцність зварного шву становить 900 МПа при міцності самого сплаву 1100 МПа. Як наслідок, зварні з’єднання виконуються із збільшенням товщини стінки відносно регулярних перерізів, що компенсує низьку міцність швів. При цьому має місце збільшення ваги конструкції і витрат на матеріали та виготовлення.

Таким чином, зварюваність високоміцних (+)-титанових сплавів є проблемним питанням з точки зору їх ширшого використання у зварних елементах конструкцій авіаційної техніки. Тому, важливим як з наукової, так і з практичної точки зору, є питання розробки нових високоміцних сплавів (+)-типу, які б мали як необхідний комплекс властивостей, згідно з умовами експлуатації авіаційних конструкцій, так і були б технологічним матеріалом у виробництві. Зазначені аспекти визначають актуальність даної роботи.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження за темою дисертаційної роботи велися в рамках бюджетних науково-дослідних робіт на АНТК ім. О. К. Антонова та Інституті електрозварювання ім. Є. О. Патона НАН України за програмами: “Програма по дослідженню властивостей катаних листів дослідного титанового сплаву Абр2”, “Програма проведення випробувань по визначенню втомної довговічності зварних з’єднань з листа титанового сплаву Т110” (140.00.132.002), “Програма забезпечення безпеки літака” (148.00.2987.001ТТ); по темам: “Дослідження впливу термічно-деформаційного циклу зварювання на структуру та властивості нових титанових сплавів, включаючи сплави на інтерметалідній основі, розробка зварювальних матеріалів та технології зварювання, у тому числі багатошарових об’ємних конструкцій” (1.6.1.30.6, №30/6), “Дослідження механізму впливу захисного середовища на якість зварних з’єднань титанових сплавів, розробка нового покоління зварювальних матеріалів та технології зварювання, включаючи технології з’єднання титану з іншими конструкційними матеріалами” 1.6.1.30.8, №30/8).

Мета і задачі дослідження. Мета роботи полягала у пошуку оптимальної з точки зору зварюваності системи легування, яка б забезпечувала отримання двофазної (+)-структури, вивченні впливу параметрів термомеханічної обробки та режимів зварювання на механічні властивості матеріалу, і на основі цього, створенні високоміцного, технологічного титанового сплаву для застосування у зварних авіаційних конструкціях з рівнем питомої міцності 26.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити задачі:

1. Дослідити вплив легуючих елементів та ступеню легування на зварюваність сплаву, і на основі цього визначити якісно і кількісно систему легування.

2. Встановити залежність температури поліморфного перетворення в сплаві від системи і ступеню легування.

3. Визначити вплив параметрів обробки тиском у процесі деформування на структуру і механічні властивості напівфабрикатів зі сплаву вибраної системи легування.

4. Вивчити вплив режимів термічної обробки на фазовий склад, структуру і механічні властивості напівфабрикатів із сплаву.

5. Встановити якість зварних з’єднань, виконаних за технологіями електродугового та електронно-променевого зварювання.

6. Провести ресурсні випробування зразків та натурні випробування елементів, що використовуються у конструкції літака.

Об’єкт дослідження – сплави на основі титану леговані Al,Nb,виготовлені за технологією електронно-променевого переплавлення з проміжною ємністю (ЕПППЄ), та напівфабрикати з цих сплавів.

Предмет дослідження – структурні та фазові перетворення, механічні властивості, експлуатаційно-ресурсні властивості, балістичні властивості.

Методи дослідження. Дослідження проводили з використанням: оптичної металографії, диференційного термічного, рентгеноструктурного і рентгеноспектрального аналізів, скануючої та електронної мікроскопії, фрактографії, аналізів хімічного і газового складів металу, випробувань механічних та ресурсно-експлуатаційних властивостей.

Наукова новизна одержаних результатів.

- На підставі концепції необхідності забезпечення в литому стані рівного молібденового еквіваленту у різних ділянках зерна -фази, що досягається комплексним легуванням титану -стабілізаторами з коефіцієнтами розподілу більше та менше одиниці, і власних експериментальних даних про перерозподіл легуючих елементів проміж - і -фазами в процесі фазового перетворення, вибраний комплекс легування і встановлені межі легування, які забезпечують отримання високої міцності і зварюваності матеріалу. Як підсумок, на основі системи Ti-Al-Mo-V-Nb-Fe-Zr розроблений склад нового вітчизняного високоміцного титанового сплаву, що добре зварюється.

- При комплексному легуванні ізоморфними та евтектоідоутворюючими елементами в процесі створення розробленого сплаву вперше запропоновано використовувати -ізоморфні елементи, які мають високу розчинність в -фазі.

- Встановлено, що додаткове легування ніобієм титанових сплавів системи Ti-Al-Mo-V-Fe у кількості 3-5 % значно поліпшує їх зварюваність, зокрема підвищує ударну в’язкість зварних з’єднань, виконаних в широкому діапазоні термічних циклів зварювання.

- Встановлено, що для сплавів системи Ti-Al-Mo-V-Nb-Fe-Zr введення Al в кількостях 5-6 % сприяє рівномірному розподілу Nb та Fe між фазами, введення Fe в кількостях до 2 % підвищує розчинність Al в - і -фазах, а в кількостях 2 % знижує розчинність Nb у фазових складових.

- Показано, що легування титану Nb і Мо в системі Ti-Al-Mo-V-Nb-Fe супроводжується підвищенням розчинності евтектоїдоутворюючого -стабілізатора Fe в -фазі, що сприяє зменшенню градієнту міцності фаз.

- Запропонована експериментально-аналітична залежність температури поліморфного перетворення від хімічного складу (+)-титанових сплавів системи Ti-Al-Mo-V-Nb-Fe-Zr.

- Встановлено вплив режимів термомеханічної обробки на структуру та фазовий склад сплаву, а також його механічні властивості. Визначені режими відпалу, що забезпечують отримання властивостей на рівні В 1100 МПа, 10 %, 35 %, KCU 40 Дж/см2, а також термічного зміцнення, що забезпечує отримання пластичності = 15 %, = 50 %, KCV = 21 Дж/см2, при рівні міцності В = 1330 МПа.

- Вперше розроблена промислова технологія прокатування литого зливку-слябу високоміцного титанового сплаву на лист.

Практичне значення одержаних результатів. На основі проведених досліджень створено багатокомпонентний високоміцний (+)-титановий сплав Ti-5Al-1,2Mo-1,2V-4Nb-2Fe-1Zr (умовне позначення Т110), який за рівнем міцності відповідає сплаву ВТ22, а по працездатності в умовах динамічних та циклічних навантажень, технологічності, зварюваності і стійкості до імпульсно-ударного впливу його перевищує.

Розроблено технологічні процеси кування, прокатки, зварювання і термічної обробки сплаву Т110. Сплав Т110 успішно пройшов дослідно-промислову перевірку на АНТК ім. О. К. Антонова у якості конструкційного матеріалу для деяких деталей та вузлів літаків “АН”, в тому числі збірних і зварних конструкцій елементів бронезахисту кабіни екіпажу, вибухоізолюючого контейнеру. Отримано Акт впровадження у виробництво.

На сплав отримано патент України UA 40087 C2. На катаний лист із сплаву Т110 розроблено і видано технічні умови ТУ У 27.4.05416923.071-2005.

Особистий внесок здобувача. Всі основні результати були отримані здобувачем особисто, або за його безпосередньою участю. Здобувач приймав безпосередню участь у підготовці та проведенні експериментів, аналізі і обговоренні отриманих результатів, написанні статей та звітів. Здобувачеві належать основні методичні і експериментальні роботи по створенню нового високоміцного (+)-титанового сплаву Т110, технології його кування, прокатки і термічної обробки, результати фрактографічних досліджень зламів основного металу і зварних з’єднань після втомних випробувань. В процесі виконання роботи особисто здобувачем встановлено, у межах даного легуючого комплексу, залежність температури поліморфного перетворення від кількості легуючих елементів у сплаві, залежність розчинності евтектоїдоутворюючих -стабілізаторів в -фазі від вмісту ніобію в сплаві.

Апробація роботи. Основні результати роботи доповідались та обговорювалися на конференціях:

1. Міжнародна конференція “Проблемы создания новых материалов для авиакосмической отрасли в ХХI веке”, червень 2002 р., Москва, ВІАМ, Росія.

2. Міжнародна конференція “Специальная металургия: вчера, сегодня, завтра”, листопад 2002 р., Київ, НТТУ “КПІ”.

3. Робочий семінар НАТО “Metallic Materials with High Structural Efficiency”, вересень 2003 р., Київ.

4. Міжнародна конференція “Титан-2005 в СНГ”, травень 2005 р., Київ.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 8 статей, в тому числі 6 у фахових виданнях, отримано патент України.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел, додатку. Повний об’єм - 241 сторінка, 72 - рисунки, 44 - таблиці, список використаних джерел складає 121 найменування.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі охарактеризовано стан проблеми, обґрунтовано актуальність теми, визначено мету і задачі дослідження, відзначено наукову новизну та практичну значимість результатів досліджень.

У першому розділі подано літературний огляд за темою дисертації.

Проаналізовано особливості експлуатації літака, основні вимоги до матеріалів, що застосовуються в елементах конструкції. Показані переваги та ефективність використання титану та його сплавів в елементах конструкцій літака, як матеріалу з високим рівнем питомої міцності і цінним комплексом властивостей. Зроблено аналіз принципів легування промислових високоміцних (+)-титанових сплавів. Розглянуто загальні закономірності та особливості фазових та структурних перетворень в (+)-сплавах. Розглянуто технологічні вимоги і особливості зварювання високоміцних (+)-титанових сплавів. Проаналізовано наявні дані про вплив пластичної деформації на процеси формування зеренної і внутрішньозеренної структури. Описано вплив фазового складу і структури на фізико-механічні властивості (+)-сплавів. Відмічено, що кращу зварюваність мають комплексно-леговані (+)-сплави. Зроблено висновок про доцільність використання комплексного підходу при розробці нового високоміцного титанового сплаву.

У другому розділі обґрунтовано систему легування сплаву. При цьому виходили з того, що для отримання оптимальних властивостей як основного металу, так і зварних з’єднань високоміцних титанових сплавів основним підходом є експериментально-аналітичний вибір не тільки самої системи легування сплаву, але також і кількісних співвідношень самих елементів.

При виборі системи легування сплаву керувалися рекомендаціями, викладеними в роботах по комплексному легуванню, проведеними професором Хорєвим А. І. (ВІАМ). Відомо, що за інших рівних умов, кращу зварюваність мають комплексно леговані сплави, що в поєднанні з оптимальною термічною обробкою дозволяє отримувати рівноміцні з основним металом зварні з’єднання. При комплексному легуванні ізоморфними і евтектоїдоутворюючими елементами вперше було запропоновано використовувати -ізоморфні елементи, що мають високу розчинність в -фазі.

Комплексне легування -стабілізаторами з коефіцієнтами розподілу більше (Mo, Nb) і менше (Fe) одиниці забезпечує приблизну сталість їхньої кількості в різних ділянках -розчину, тобто рівність молібденового еквіваленту, і більш рівномірне його зміцнення як в основному металі, так у металі зварних швів. Також враховувалося, що комплексне легування зміцнює - і -тверді розчини і зменшує їхній градієнт міцності, що позитивно позначається на умовах деформації експлуатації. При цьому, співвідношення ізоморфних і евтектоїдоутворюючих елементів у сплаві повинне бути в діапазоні від 2/1 до 1/1, що забезпечує не тільки їхній рівномірний розподіл, але також запобігає евтектоїдному розпаду.

На основі відомих даних про позитивний вплив Nb (у кількостях  на зварюваність (+)-сплавів було висловлене припущення, що такий вплив Nb обумовлений його значною розчинністю в -фазі. У зв’язку з цим разом із зміцненням -твердого розчину легування Nb стабілізує -фазу, підвищує в ній розчинність Al і запобігає можливе утворення виділень фази 2, що також у свою чергу повинне сприяти підвищенню ударної в’язкості металу зварного шву. В результаті, зменшується різниця -, що сприяє більш рівномірній участі фазових складових у деформації і більш повній реалізації міцності обох фаз.

З метою уточнення причин позитивного впливу Nb на властивості зварних з’єднань були виконані дослідження впливу комплексного легування на розчинність елементів у різних фазах. При цьому, особлива увага приділялася оцінці впливу -ізоморфних стабілізаторів на розчинність Fe. Дослідження також проводилися для встановлення діапазонів концентрацій легуючих при який забезпечується не тільки висока розчинність -елемента Fe у -фазі, але і рівномірний розподіл легуючих між фазами, що сприяє зниженню градієнта міцності фаз і більш рівномірній їхній участі в деформації при експлуатаційних навантаженнях. Згідно з отриманими даними в місцях з підвищеною концентрацією Nb (у межах -фази) спостерігалася і підвищена концентрація Fe. Введення до складу сплаву V зменшувало розчинність Fe у -фазі. При комплексному легуванні титана Al, Fe, Nb і Мо розчинність Nb і Мо в -фазі була більша, ніж V. При легуванні Nb і Мо розчинність Fe у -фазі збільшувалася. Nb сприяє рівномірному розподілу Al в обох фазах.

Також встановлено, що введення Al у кількостях 5-6 % сприяє рівномірному розподілу Nb і Fe між фазами, Fe у кількостях до 2 % підвищує розчинність Al у - і -фазах, а в кількостях 2 % знижує розчинність Nb у фазових складових. Відзначимо, що збільшення (у діапазоні досліджень) вмісту в сплаві Al і Fe не приводило до помітних змін внутрішньозереної структури. І тільки при комплексному легуванні Al, Fe, Nb і V у кількостях 10 % спостерігається зменшення дисперсності внутрішньозерених виділень.

Проведені дослідження показали, що у випадку дотримання положень комплексного легування сполучення елементів Nb+Fe може бути використано як легуючий комплекс. При цьому, відомо, що Fe є одним з самих сильних стабілізаторів і зміцнювачів -фази, а раніше проведені дослідження і досвід використання Fe у промислових сплавах, свідчать про те, що в межах 1,5-2,5Fe сплави мають достатню експлуатаційну і технологічну пластичність. Аналіз же зварних з’єднань цих сплавів не показує присутності в металі швів інтерметаліду TiFe. Водночас Fe значно дешевше від інших легуючих елементів, що може в якійсь мірі компенсувати вартість таких дорогих елементів, як Мо, V або Nb.

Таким чином, у якості основного зміцнюючого елементу сплаву, що розроблюється, прийняли Fe. Введення в сплав 2 % Fe і 4 % Nb забезпечувало отримання Мо еквіваленту 6 %. Але зміцнююча дія Nb невелика і відповідно до положень комплексного легування в сплав, що розроблюється, додатково ввели Мо і V. При цьому виходили з відомих даних, що введення цих елементів у кількостях 1,5 % приводить до підвищення міцності зварних швів на 15 %, із збереженням в них високої пластичності, в’язкості і стійкості до утворення тріщин.

Основне зміцнення -фази забезпечували за рахунок введення в сплав Al, що також сприяє підвищенню термічної стабільності -фази, жароміцності і модуля пружності. Вміст Al у сплаві обмежували 6 %, щоб уникнути появи в структурі основного металу окрихчуючої 2-фази, а також уникнути формування в зварних швах крупнопластинчатої мікроструктури з низькою ударною в’язкістю, що має місце при вмісті Al 5,5 %. При цьому добре відомо, що введення таких -стабілізаторів, як V, Mo, Nb перешкоджає утворенню 2-фази. Також відомо, що Al у кількостях до 3,5 % мас. практично не впливає на структуру і властивості зварних швів.

З метою поліпшення зварюваності розроблювального сплаву в нього додатково ввели Zr. Досвід застосування Zr показав, що він впливає на механічні властивості (+)-сплавів сприяючи подрібненню зерна, зменшенню концентрації елементів домішок по границях зерен, а в кількостях до 1,5 % знижує схильність металу зварних швів до уповільненого руйнування.

Таким чином, в результаті узагальненого аналізу та даних виконаних експериментів по комплексному легуванню, для подальших досліджень був вибраний сплав системи Ti-Al-Мо-V-Nb-Fe-Zr. Кількість елементів розраховували виходячи з вимог досягнення бажаного рівня міцності 1100 МПа, що забезпечується при вмісті (по молібденовому еквіваленту) не менше 6-стабілізаторів, а також високої зварюваності. В підсумку, для подальших досліджень був обраний сплав, який вміщував легуючі елементи в таких кількостях (% мас.): Al – 5,0...6,0; Nb – 3,5...4,8; Мо – 0,8...1,8; V – 0,8...2,0; Fe – 1,5...2,5; Zr – 0,3...0,8. Молібденовий еквівалент для мінімального і максимального вмісту легуючих елементів становить: ([Mo]екв)min = 6,2([Mo]екв)max = 10,9 %.

Для розробки технологій плавлення і деформування (кування, прокатки) сплаву, що досліджується, визначення його механічних властивостей, зварюваності, уточнення хімічного складу були виплавлені зливки вагою  кг (150х250 мм). Хімічний склад зливків наведено у табл. 1.

Таблиця 1

Хімічний склад зливків сплаву, що досліджувались

Номер зливку | Вміст легуючих елементів і домішок, % мас., Ti - решта

Al | Mo | V | Nb | Fe | Zr | O | N | H

ОС. 1 | 4,9 | 0,90 | 1,25 | 4,74 | 1,61 | 0,10 | 0,102 | 0,011 | 0,003

ОС. 2 | 5,1 | 1,06 | 1,72 | 4,08 | 1,60 | 0,17 | 0,091 | 0,021 | -

ОС. 3 | 5,8 | 1,22 | 1,20 | 4,90 | 1,70 | 0,41 | 0,120 | 0,027 | -

ОС. 4 | 5,5 | 0,97 | 1,46 | 3,98 | 1,56 | 0,36 | 0,112 | 0,019 | -

ОС. 5 | 5,6 | 0,94 | 1,24 | 4,93 | 0,58 | 0,78 | 0,082 | 0,012 | 0,003

Зливки перековували на пруток 50 мм і прокатували на полосу = 10 мм. Зразки відпалювали при температурі 750 С, = 1 г., з охолодженням на повітрі. Механічні властивості наведені в табл. 2. Отримані результати свідчать, що коливання вмісту легуючих в межах 0,5 % мас. мають незначний вплив на механічні властивості металу. Не спостерігається значних розбіжностей і у мікроструктурі (рис. 1).

Подальші експерименти були спрямовані на вивчення зварюваності сплаву Ti-5,5Al-1,2Мо-1,2V-4Nb-2Fe-0,5Zr з визначенням впливу способів зварювання і режимів відпалу на властивості зварних з’єднань. Пластини зварювали методами електронно-променевого зварювання (ЕПЗ), аргоно-дугового зварювання (АДЗ), а також АДЗ по шару флюсу (TIG-F).

Таблиця 2

Механічні властивості зливків після деформування

Номер зливку | Стан металу | В,

МПа | 02,

МПа | ,

% | ,

% | КСV,

Дж /см2

ОС. 1 | Прокат | 1220 | 1190 | 16 | 52 | 22

Відпал | 1100 | 1080 | 20 | 55 | 43

ОС. 2 | Прокат | 1180 | 1130 | 17 | 55 | 23

Відпал | 1090 | 1060 | 16 | 49 | 35

ОС. 3 | Прокат | 1170 | 1110 | 15 | 61 | 27

Відпал | 1090 | 1070 | 18 | 64 | 40

ОС. 4 | Прокат | 1155 | 1100 | 16 | 57 | 29

Відпал | 1080 | 1040 | 18 | 58 | 39

ОС. 5 | Прокат | 1100 | 1020 | 14 | 30 | 40

Відпал | 1050 | 990 | 16 | 32 | 41

Встановлено, що тільки при температурі відпалу 750 С і уповільненому охолодженні з піччю спостерігається значне підвищення ударної в’язкості швів як у випадку ЕПЗ, так і для АДЗ з’єднань. Після відпалу ЕПЗ з’єднань при температурах 800 і 850 С підвищується ударна в’язкість в металі шву (рис. 2).

Виконані дослідження показали, що ЕПЗ з’єднання після відпалу 850 С і охолодження на повітрі мають таку ж міцність, як і основний метал, а також високу ударну в’язкість металу шву. Міцність зварних з’єднань АДЗ складає не менше 90 % від міцності основного металу незалежно від режимів відпалу. При цьому також забезпечується прийнятний рівень ударної в’язкості. Отримані результати свідчать, що сплав вибраного складу є добре зварюваним матеріалом незалежно від способу зварювання. Треба зазначити, що комплекс властивостей зварних з’єднань сплаву після простого відпалу перевищує відповідні характеристики сплаву ВТ22, які потребують складної багатоступеневої термічної обробки.

Для досліджень використовували такі методи, як оптична металографія, диференційний термічний аналіз, рентгеноструктурний і рентгеноспектральний мікроаналіз, фрактографію, аналіз хімічного і газового складів металу, дослідження механічних і ресурсних властивостей.

Третій розділ присвячено розробці технологічних засад виготовлення напівфабрикатів, термічної обробки і зварювання сплаву Ti-5,5Al-1,2Мо-1,2V-4Nb-2Fe-0,5Zr (далі Т110).

Для розробки режимів термомеханічної обробки з метою аналітичного визначення залежності температури поліморфного перетворення (tпп) від хімічного складу сплаву, що досліджується, вивчали комплексний вплив легуючих елементів на поліморфне перетворення при вмісті останніх, % мас.: Al < 8; Fe < 4; Zr < 1,5; Nb < 5; V < 6,5; Mo < 3,75.

Для серій сплавів за допомогою диференційного термічного аналізу були визначені коефіцієнти впливу легуючих елементів на tпп як співвідношення Ki = .

В рівняння були введені коефіцієнти впливу газових домішок і виконано уточнення коефіцієнтів Ki методами вирішення зворотної задачі. Таким чином, було отримано вираз:

tпп = 882,5 + 20,27XAl - 23,7XFe - 3,84XZr - 18,1XNb - 18,7XV –

- 10,93XMo + 232 XO + 564XN - 150XH (1)

Середнє абсолютне відхилення для отриманого рівняння склало: = 15,4 С.

У подальших дослідженнях при виборі температурних умов деформування зливків і режимів термічної обробки tпп оцінювали розрахунковим методом за рівнянням (1). Це дозволило скоротити обсяг досліджень, тобто кількість експериментів.

Для відпрацювання промислової технології термомеханічної обробки сплаву Т110, у НВЦ “Титан” методом ЕПППЄ були виплавлені зливок 400х1000 і сляб 400х200х1000 мм для виготовлення партій напівфабрикатів. Хімічний склад зливків приведений в табл. 3.

Таблиця 3

Хімічний склад зливків сплаву Т110

Сплав, заготовка | Вміст елементів, % мас. | tпп,

С

Ti | Al | Mo | V | Nb | Fe | Zr | O2 | N2 | H2

Сляб | основа | 5,47 | 1,03 | 1,33 | 4,89 | 1,62 | 0,36 | 0,08 | 0,02 | 0,005 | 934

Зливок | -"- | 5,35 | 1,1 | 1,37 | 5,04 | 1,6 | 0,35 | 0,09 | 0,02 | 0,003 | 930

ТУ У .4. .  | -"- | 5,0… 6,0 | 1,0… 1,5 | 1,2… 2,0 | 4,5… 5,5 | 1,5… 2,0 | 0,3… 0,5 | 0,15 | 0,04 | < 0,015 | -

Примітка. Температури поліморфних перетворень технологічних зливків ОС.1-ОС.5 (табл. 1) склали 910...960 С.

В роботі були розроблені технології виготовлення напівфабрикатів методами кування і прокатки. При цьому були поставлені початкові вихідні вимоги: отримання дрібно-пластинчатої, глобулярної, або бімодальної мікроструктури, що забезпечує максимальний опір втомі в умовах малоциклових навантажень при рівні механічних властивостей В 1100 МПа, 10 %, 35 %, КСV 20 Дж/см2, що дозволяє реалізацію максимальної питомої міцності сплаву.

Дослідження технології кування показали, що температура нагріву на стадії попереднього кування литого металу не повинна перевищувати 1150 С. При більших температурах спостерігається значне огрубіння макро- і мікроструктури металу. Температура деформації на проміжний і кінцевий розмір повинна бути нижче температури поліморфного перетворення не менше, ніж на 50 С для врахування деформаційного розігріву. Ступінь деформування на стадії кування в -області повинна складати не менше 30 %, а на стадії кування на кінцевий розмір – 60 %, не менше. Такі умови деформування забезпечили отримання зерна 5-6 балу і мікроструктури 4-5 типу по шкалам ВІАМ. Було встановлено температурний інтервал кування сплаву, який склав 1150-850 С.

При розробці технології виготовлення катаних напівфабрикатів враховували, що промислова схема деформування прокаткою, як правило, передбачає попереднє кування зливку ВДП круглого перерізу. Завдяки тому, що процес ЕПППЄ дозволяє отримувати сляби прямокутного перерізу була досліджена можливість деформування прокаткою на попередньо кованому металі і металі в литому стані. Досліджували дві схеми прокатки: (+) і (+)-деформування. Ступінь деформування на проміжний розмір складала 40 %, на кінцевий розмір – 60 % для обох схем. Були визначені температурні діапазони прокатки, які склали: по першій схемі – 980-840 С, по другій схемі – 920-840С. Аналіз мікроструктури сплаву після прокатки (рис. 3) по різним схемам не мав суттєвих розбіжностей – дрібнозерниста і дрібнопластинчата, з текстурою в напрямку прокатування, 1-2 типу по шкалі мікроструктур ВІАМ. Мікроструктура катаного литого металу має дещо більші за своєю морфологією структурні елементи (рис. 3, б), але принципових відмінностей по структурі від металу, що прокатувався після кування не спостерігається. Механічні властивості деформованих напівфабрикатів із сплаву Т110 представлені в табл. 4.

Таблиця 4

Механічні властивості деформованих напівфабрикатів із сплаву Т110 | Виконані експерименти дозволили відпрацювати технологію кування, встановити необхідні температурно-деформаційні параметри прокатування попередньо кованих і литих заготовок сплаву Т110, котрі можуть бути рекомендовані для промислового виготовлення поковок і катаних напівфабрикатів.

Для отримання оптимальних фізико-механічних і технологічних властивостей напівфабрикати, деталі, зварні конструкції з (+)-титанових сплавів піддають

Напівфабрикат | Досліджує мий стан сплаву | Механічні властивості

В, МПа | , % | , % | КСV,

Дж/см2

Пруток кований | Кований | 1121 | 9,4 | 28 | 20,3 (KCU)

Відпал | 1122 | 12 | 42 | 41 (KCU)

Плита катана | Прокат кованого | 1220 | 17 | 54 | 22

Відпал | 1130 | 20 | 57 | 29

Прокат литого | 1244 | 7,3 | 9,7 | 12,5

Відпал, з піччю | 1080 | 15 | 36 | 22

Примітка. Відпал 750 С, = 1 г., повітря.

термічній обробці, а саме відпалу, або гартуванню з послідуючим старінням. Подальші дослідження були направлені на встановлення оптимальних режимів термічної обробки сплаву Т110 і його зварних з’єднань. Мікроструктурні і рентгеноструктурні дослідження зразків з напівфабрикатів, підданих різним типам термічної обробки, а також попередні дослідження зварюваності сплаву, дозволили визначити толерантний температурний інтервал обробки в межах 750-880 С. Встановлено, що при нагріві вище 880 С має місце погіршення властивостей, особливо ударної в’язкості, а також небажана зміна мікроструктури металу. У визначеному інтервалі нагріву вивчали вплив температури, швидкості охолодження, стадійності обробки на механічні властивості після відпалу і термічного зміцнення.

Було встановлено, що з підвищенням температури одноступеневого відпалу з охолодженням на повітрі від 750 до 850 С межа міцності В незначно знижується (табл. 5), проте ударна в’язкість падає в 1,5 рази при нагріві вище 800 С. Вакуумний відпал (850 С) дозволяє отримати високі показники пластичності при незначному зниженні міцності. Стадійна обробка, яка поєднувала стадії високотемпературної полігонізації і низькотемпературного розпаду з дисперсним виділенням фаз дозволила отримати підвищені рівні міцності при задовільній пластичності (табл. 5). При цьому встановлено, що міцність зростає з підвищенням температури відпалу на першій стадії.

Таблиця 5

Механічні властивості напівфабрикатів із сплаву Т110 після відпалу

Режим відпалу | Напівфабрикат | Механічні властивості

В, МПа | , % | , % | КСV,

Дж/см2

800 С, = 1 г., повітря | Поковка | 1114 | 12,6 | 42,2 | 39 (KCU)

800 С, = 1 г., з піччю | Поковка | 1131 | 11,4 | 41 | 42 (KCU)

Плита | 1120 | 19 | 54 | 38

850 С, = 1 г., повітря | Поковка | 1103 | 11,2 | 40,3 | 27 (KCU)

Плита | 1100 | 19 | 53 | 26

850 С, = 1 г., вакуум | Поковка | 1160 | 16 | 52 | 55 (KCU)

Плита | 1060 | 20 | 53 | 57

850750 С, = 2,5 г., повітря | Плита | 1040 | 22 | 55 | 48

870800750 С, = 2 г., повітря, 380570 С, = 10 г., повітря | Плита | 1190 | 21 | 51 | 30

850800 С, = 2 г., повітря, 600 С, = 2 г., повітря | Плита | 1190 | 17 | 63 | 34

В промислових умовах АНТК ім. О. К. Антонова була виконана термічна обробка партій кованих і катаних напівфабрикатів із сплаву Т110. Механічні і структурні дослідження показали, що встановлені режими обробки дозволяють отримати необхідний рівень міцності, пластичності і структурний стан, які відповідали встановленим у роботі вимогам.

Подальші дослідження були направлені на визначення режимів досягнення високої питомої міцності, яка може бути отримана завдяки гартуванню і старінню. Вивчали вплив температури гартування, температури старіння на механічні властивості напівфабрикатів. Гартування виконували в воду. Встановлено, що в умовах традиційної схеми в залежності від режиму термічного зміцнення на сплаві Т110 можна отримати значні показники міцності при задовільних рівнях пластичності і ударної в’язкості. При цьому також зберігається і бажаний структурний стан напівфабрикатів (рис. 4). Слід відмітити, що в стані термічного зміцнення сплав Т110 по показникам пластичності перевищує промисловий сплав ВТ22 (рис. 5).

Таким чином були визначені температурні і технологічні режими термічної обробки сплаву Т110, які можуть бути використані для обробки промислових партій напівфабрикатів.

В процесі виконання роботи були визначені технологічні режими отримання стикових з’єднань методами: аргонодугового зварювання без розробки кромок, з розробкою по шару флюсу АНТ-25А для кореневого шву і зварювальним дротом СП15, електронно-променевого зварювання. Встановлено, що для зменшення ступеню хімічної, фазової і структурної неоднорідності під впливом нагріву в процесі зварювання, швидкість охолодження для легованих (+)-сплавів слід зменшувати.

Макро- і мікроструктурні дослідження не показали присутності дефектів типу пор, мікротріщин та ін. в зварних з’єднаннях. ЕПЗ з’єднання мають значно меншу структурно змінену зону аніж АДЗ. З урахуванням досліджень зварюваності були визначені режими термічної обробки з’єднань. Проведені механічні випробування (табл. 6) показали, що ЕПЗ з’єднання у всіх випадках мають міцність на рівні основного металу при задовільній пластичності. АДЗ з’єднання мають міцність не менше 90від основного металу.

Крім відпалу зварні з’єднання термічно зміцнювали гартуванням у воду і старінням (табл. ). Вивчали дві схеми обробки: по першій зразки гартували (Г) чи відпалювали (В), далі зварювали (Зв) і піддавали старінню (Ст); по другій – зразки зварювали, гартували і старили. Встановлено, що для ЕПЗ з’єднань зміцнюючу обробку краще виконувати після зварювання, а для АДЗ кращим є зварювання загартованих зразків і послідуюче старіння. Макроструктура і мікроструктура зварних з’єднань сплаву Т110 приведена на рис. . Аналіз мікроструктури показав, що ЕПЗ з’єднанням притаманна більша “дисперсність” внутрішньозеренної будови, а також присутність оторочки -фази навколо зерен. При цьому було встановлено, що в разі термічної обробки при температурах > 870 С спостерігається огрубіння зеренної будови для АДЗ і зростання оторочки -фази для ЕПЗ з’єднань. Рентгеноструктурний аналіз показав присутність у швах і ЗТВ - і -фаз, метастабільних фаз не виявлено.

Таким чином, було показано, що високоміцний сплав Т110 має високу зварюваність, а відпрацьовані режими ЕПЗ та АДЗ зварювання і послідуючої термічної обробки - відпалу, або термічного зміцнення, можуть бути використані для виготовлення зварних конструкцій.

Таблиця 6

Механічні властивості зварних з’єднань сплаву Т110

Стан, що досліджувався | Спосіб зварювання / схема обробки | Механічні властивості зварних з’єднань

В, МПа | KCV, Дж/см2

Шов | ЗТВ

Відпал 750 С, = 1 г., повітря | АДЗ | 1080 | 45 | 27

ЕПЗ | 1180 | 11 | 24

Відпал 850 С, = 1 г., повітря | АДЗ | 1080 | 23 | 27

ЕПЗ | 1120 | 22 | 26

Відпал 870 С, = 0,5 г., з піччю, 380570 С, = 10 г., повітря | АДЗ | 1100 | 30 | 35

ЕПЗ | 1150 | 28 | 23

Відпал 850800 С, = 2 г., повітря, 600 С, = 2 г., повітря | АДЗ | 1082 | 24 | 31

ЕПЗ | 1110 | 34 | 32

АДЗ: В+Зв+Ст | 1150 | 16 | 25

ЕПЗ: В+Зв+Ст | 1120 | 25 | 21

Після зварювання | АДЗ + СП15 | 1040 | 21 | 13

Відпал 750 С, = 1 г., повітря | 1030 | 35 | 37

Термічне зміцнення 800 С, = 1 г., гартування в воду, 550 С, = 4 г., повітря | АДЗ: Г+Зв+Ст | 1180 | 15 | 24

АДЗ: Зв+Г+Ст | 1220 | 17 | 21

ЕПЗ: Г+Зв+Ст | 1180 | 14 | 22

ЕПЗ: Зв+Г+Ст | 1210 | 25 | 26

Термічне зміцнення 800 С, = 1 г., гартування в воду, 600 С, = 3 г., повітря | АДЗ: Г+Зв+Ст | 1090 | 19 | 28

АДЗ: Зв+Г+Ст | 1100 | 20 | 29

ЕПЗ: Г+Зв+Ст | 1130 | 20 | 22

ЕПЗ: Зв+Г+Ст | 1140 | 30 | 35

Примітка. Місце руйнування АДЗ – шов, ЕПЗ – основний метал.

У четвертому розділі наведено дані про випробування зразків сплаву Т110 на малоциклову втому (МЦВ) для основного металу та зварних з’єднань. Рівні навантажень встановлювали виходячи з аналізу робочих умов типових конструкцій вузлів шасі літака. Випробування по основному металу виконували до руйнування зразків, по зварним з’єднанням до заданого ресурсу. Результати випробувань основного металу на МЦВ показані на рис. 7. Встановлено, що сплав Т110 на досліджених рівнях навантажень перевищує по втомній довговічності сплав ВТ22 на 15...20 %. Фрактографічні дослідження показали, що втомні тріщини зароджувались від концентраторів напружень. Характер руйнування однаковий, тільки при більших навантаженнях спостерігалося багатоосередкове зародження втомних тріщин. На поверхні тріщин спостерігаються мікроборозни (рис. 8), в зоні статичного долому – в’язкий ямковий рельєф.

Результати випробувань зварних з’єднань показані на рис. . В програму випробувань вводився блок маркерних навантажень, що дозволило виконати дослідження і аналіз особливостей втомних руйнувань. Встановлено, що руйнування зразків не було пов’язане ані зі способом зварювання, ні з особливостями фазового складу і мікроструктури зварних з’єднань. За відсутності у зварних швах технологічних дефектів довговічність зварних з’єднань сплаву Т110 не залежала від способу зварювання і відповідала встановленому ресурсу випробувань.

Проведені структурні дослідження показали (рис. 10), що в мікроструктурі званих з’єднань ЕПЗ границі зерен мали виділення -фази товщиною 2-2,5 мкм, тоді як при АДЗ пограничні виділення -фази мали товщину 0,5-1 мкм. Глибина ЗТВ при ЕПЗ склала 7 мм, при АДЗ – 20-22 мм; розмір макрозерна при ЕПЗ в 5-10 разів менший ніж при АДЗ.

Зародження тріщин, у більшості випадків, відбувалося по основному металу від рисок глибиною 25-60 мкм на поверхні зразків і було багатоосередковим (рис. 11).

На поверхні втомних зламів в зоні стабільного зростання тріщин спостерігався бороздчастий мікрорельєф і мітки, які відповідали маркерним блокам програмного навантаження (рис. 12). В зоні статичного долому - ямковий мікрорельєф, характерний для в’язкого руйнування (рис. 12, г).

Криві швидкості і тривалості розвитку тріщин по місту зварювання і в основному металі приведені на рис. 13. Криві втомної довговічності приведені на рис. 14.

Встановлено, що швидкості стабільного росту втомних тріщин в основному металі і по місту зварювання практично не відрізнялися і складали 0,25-0,3 мкм/цикл. Тривалість зростання втомних тріщин від початкової довжини (0,04-0,8 мм) і до моменту руйнування по основному металу і місту зварювання складала 5700-8300 циклів на першому рівні і 11700 циклів на другому рівні навантажень. Встановлено, що навіть за наявності рисок, зразки мають високу тріщиностійкість. Втомні випробування зварних з’єднань показали, що більш стійкими до впливу знакозмінних циклічних навантажень є ЕПЗ з’єднання. Сплав Т110 має високу стійкість до утворення втомних тріщин. Показники швидкостей зростання втомних