Структура и механические свойства сплава ВТ8-20Zr-0,1В после деформационной и термической обработки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

Уфимский государственный авиационный технический университет

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту по дисциплине

«Деформационно-термическая обработка»

«Структура и механические свойства сплава ВТ8-20Zr-0,1В после деформационной и термической обработки»

Студент Мухамедьярова Л.Х.

Уфа 2018 г.

Содержание

Введение

1. Литературный обзор

1.2 Полиморфизм титана

1.3 Легирование титановых сплавов и их классификация

1.4 Разработка новых титановых сплавов

1.5Бинарная диаграмма Ti-Zr. Как влияет легирование цирконием на структуру и мех свойства

1.6 Постановка задачи исследования

2. Методика исследования

2.1 Состав изучаемых материалов и способ их изготовления

2.2 Деформационная и термическая обработка

2.3 Металлографический и электронно-микроскопический анализ

2.4 Рентгеноструктурный анализ

2.5 Методика измерения твердости и миктротвердости

2.6 Методика измерения твердости и миктротвердости

3. Результаты и обсуждение

3.1 Исходное состояние сплавов

3.2 Влияние деформационной обработки на микроструктуру

3.3 Влияние закалки на микроструктуру и фазовый состав

3.4 Влияние закалки и старения на микроструктуру и фазовый состав

3.5 Измерение твердости

Список использованной литературы

Введение

Современные отрасли машиностроения предъявляют все более возрастающие требования к качеству конструкционных материалов. Развитие авиационно-космической техники во многом зависит от создания новых конструкционных материалов, направленных на обеспечение требований работоспособности конструкций летательных аппаратов. Одними из таких материалов являются титановые сплавы.

Основные требования, которые предъявляют разработчики новых авиационно-космических систем к титановым сплавам, сводятся к следующему: - высокопрочные сплавы (ув?1250 МПа) должны иметь прочность при 300°C не менее 1000 МПа;- жаропрочные сплавы при 500-600°C должны обладать высокой термической стабильностью и прочностью;- литейные сплавы должны обеспечить прочность не менее 1100 МПа, высокие характеристики надежности и технологичность; - создаваемые композиционные высокопрочные и интерметаллидные материалы должны обладать высоким модулем упругости и малым удельным весом. Указанные требования конструкторов могут быть обеспечены за счет разработки и внедрения новых титановых сплавов и технологии их получения.

В настоящей работе изучается титановый сплав ВТ8-20Zr-0,1B, высоколегированный цирконием и модифицированный бором. В качестве основы был выбран двухфазный жаропрочный титановый сплав ВТ8. Легирование Zr проводилось с целью сильного твердорастворного упрочнения, модифицирование бором обеспечивает измельчение структуры слитка. Целью работы явилось выявление закономерностей влияния режимов термической обработки на структуру и механические свойства деформированного сплава ВТ8-20Zr-0,1B. Установление режимов закалки и старения позволит получить в изучаемом сплаве оптимальный баланс механических свойств.

1. Литературный обзор

1.1 Краткая характеристика титана и его сплавов

Титан - легкий серебристо-белый переходный металл, отличающийся высокой удельной прочностью. Плотность титана составляет около 4,5 г/см3, что почти вдвое меньше плотности никелевых сплавов и стали. Нелегированный технически чистый титан обладает прочностью конструкционных углеродистых сталей (около 400 МПа), прочность легированных упрочненных титановых сплавов может достигать 1600 МПа. Благодаря высокой термостабильности и жаропрочности титановые сплавы в интервале температур 150-600°С превосходят все металлические материалы (в том числе жаропрочные никелевые сплавы) по удельной прочности [1] (рисунок 1.1).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1.1 - Сравнение удельной прочности сплавов на основе различных металлов

Титан и его сплавы применяют в различных отраслях промышленности. Сравнительно высокая стоимость титана и его сплавов компенсируется высокими эксплуатационными характеристиками металла, в некоторых случаях титановые сплавы являются единственным материалом, из которого можно изготовить работоспособную конструкцию [2].

Титановые сплавы в промышленном масштабе были использованы в конструкциях авиационных двигателей. Впервые, в конце 1950-х годов, титановые сплавы применили в конструкции авиационных газотурбинных двигателей в качестве материала рабочих и направляющих лопаток компрессоров, дисков компрессоров, деталей корпуса и оболочек [3]. Малый удельный вес и высокая прочность титана и его сплавов (особенно при повышенных температурах) делают их весьма ценными авиационными материалами. В области самолетостроения и производства авиационных двигателей титан все больше вытесняет алюминий и нержавеющую сталь. Преимущество замены стали титаном в авиации заключается в снижении веса без потери прочности.

Благодаря сочетанию высокой коррозионной стойкости, большой удельной прочности, не магнитности титановые сплавы являются перспективным материалом при создании кораблей, подводных атомных лодок, глубоководных аппаратов [3].

Титан и его сплавы с успехом используются в металлургии, химической, нефтехимической и целлюлозно-бумажной промышленности [2].

В производстве цветных и редких металлов оборудование из титановых сплавов по коррозионной стойкости превосходит оборудование, изготовленной из нержавеющих кислотоупорных сталей [3].

Области применения титана постоянно расширяются. Опубликованы данные о применении титана и его сплавов в ядерной технике, электронике, производстве опреснительных установок, автомобилестроении. Преимущества и недостатки сплавов титана

Преимущества:

малая плотность способствует уменьшению массы используемого материала. Использование титановых сплавов в конструкции газотурбинных двигателей вместо сталей позволило в 1,7 раза снизить массу деталей с сохранением показателей прочности и долговечности;

высокая длительная прочность в широком интервале рабочих температур. Жаропрочные титановые сплавы по удельной прочности при температурах до 500 С? превосходят большинство жаропрочных сталей, обладает термической стабильностью и не охрупчиваются при длительной работе при температурах 400-500 С? [3];

необычайно высокая коррозионная стойкость. По коррозионной стойкости изделия из титановых сплавов превосходят оборудования, изготовленные из нержавеющих кислотоупорных сталей;

высокая удельная прочность. Вдвое превышает удельную прочность легированных сталей.

Недостатки:

высокая стоимость производства. Титан значительно дороже железа, алюминия, меди, магния;

активное взаимодействие при высоких температурах со всеми газами;

трудности вовлечения в производство титановых отходов;

плохие антифрикционные свойства, обусловленные налипанием титана на многие материалы;

высокая склонность титана к водородной хрупкости и солевой коррозии;

плохая обрабатываемость резанием;

большая химическая активность, склонность к росту зерна при высокой температуре и фазовые превращения при сварочном цикле.

1.2 Полиморфизм титана

Будучи переходным металлом, титан обладает полиморфизмом и имеет 2 модификации:

б-Ti и в-Ti. низкотемпературную модификацию б-Ti, устойчивую до 882,5°С с гексагональной плотноупакованной решеткой (ГПУ). Параметры ГПУ решетки чистого титана при нормальных условиях, согласно [4], составляют: а = 0,29503±0,00004 нм, с = 0,46831±0,00004 нм.

высокотемпературную модификацию в-Ti, устойчивую выше 882,5оС с объёмноцентрированной кубической решеткой (ОЦК). Параметр ОЦК решетки чистого титана, согласно [4], составляют: при 900 оС а=0,33065 нм; экстраполяция значений а в сторону низких температур показывает, что если бы в-фаза могла существовать при нормальной температуре, то а=0,3282 нм.

В отличие от многих других ГПУ металлов чистый титан обладает высокими пластическими характеристиками. Это связано с благоприятным соотношением параметров решетки c/a и соответственно большим количеством возможных систем скольжения и двойникования [5].

Прочная оксидная пленка на поверхности титана придает ему очень высокую коррозионную стойкость, близкую к стойкости платины. Титан устойчив в среде большинства разбавленных кислот и щелочей, в морской воде. Заметное разъедание поверхности происходит только в среде плавиковой, фосфорной и концентрированной серной кислот. При температурах выше 600°С титан на воздухе начинает интенсивно окисляться, выше 1200°С возгорается [6].

сплав деформационный термический

1.3 Легирование титановых сплавов и их классификация

Титан в чистом виде (иодидный или электролитический) весьма дорог в получении и не отличается высокими прочностными свойствами. Кроме примесей титановые сплавы содержат различные легирующие элементы, подразделяющиеся на три группы в зависимости от своего влияния на температуру полиморфного превращения титана в-б.

Первую группу образуют б-стабилизаторы, которые расширяют область существования б-фазы. Важнейшим б-стабилизатором титановых сплавов является алюминий, который входит в состав практически всех промышленных титановых сплавов, поскольку он относительно хорошо растворим в титане и улучшает его прочностные и жаропрочные свойства. К числу б-стабилизаторов титановых сплавов также относятся элементы замещения галлий и индий и элементы внедрения, содержащиеся также в составе примесей (кроме водорода): кислород, азот и углерод [6].

Вторая группа легирующих элементов стабилизирует в-фазу и снижает температуру полиморфного превращения. К ней относится большая часть металлов (V, Mo, Cr, Fe, W, Nb, Mn, Ni), а также водород и кремний. С увеличением содержания таких элементов получают титановые сплавы с б-, (б+в)- и в-структурами. Многие из таких сплавов поддаются упрочнению путем термической обработки. Стабилизаторы в-фазы повышают технологическую пластичность, прочность и жаропрочность титановых сплавов [6].

К третьей группе легирующих элементов принадлежат нейтральные упрочнители, мало влияющие на температуру полиморфного превращения. К ним относятся Zr, Sn, Hf, Ge, B. Легирование элементами этой группы проводится с целью твердорастворного упрочнения титановых сплавов [1, 7, 8].

Промышленные титановые сплавы в зависимости от назначения могут содержать легирующие элементы разного вида в различном количественном соотношении. Это позволяет изменять фазовый состав сплавов и получать в них необходимые уровни прочности, пластичности и жаропрочности. Итоговую классификацию легирующих элементов и примесей в титане можно представить схемой, приведенной на рисунок 1.2.



Рисунок 1.2 - Классификация легирующих добавок в титане

1.4 Разработка новых титановых сплавов

Известно, что за последние 10-15 лет при разработке новых титановых сплавов исследования ведутся практически с одним и тем же набором легирующих элементов, изменяется лишь их количественное соотношение. Это говорит о том, что потенциальные возможности титановых сплавов с традиционным твердорастворным упрочнением в значительной степени исчерпаны, и дальнейшие попытки создания промышленных конструкционных титановых сплавов с таким упрочнением путем использования различных комбинаций легирующих элементов являются малоэффективными.

Повышение прочности и жаропрочности титановых сплавов на основе б- и/или в-фаз путем их легирования может быть достигнуто за счет твердорастворного упрочнения большим количеством нейтральных элементов замещения. Цирконий и гафний - ближайшие аналоги титана, имеет близкую температуру плавления и также обладает полиморфизмом. Среди всех нейтральных элементов только цирконий и гафний могут образовывать с титаном непрерывный ряд растворимости в твердом состоянии.

Цирконий рассматривается как нейтральный (почти нейтральный) в-стабилизирующий элемент, который может быть использован для: 1) упрочнения твердого раствора [5-7], 2) эффективного термического упрочнения [5-7], 3) Улучшение сопротивления ползучести (ряд устойчивых к ползучести близких к б и в + титановых сплавов содержат до 4-10 вес.% Циркония) [5-8], 4) облегчение операций горячей обработки (например, Известно, что цирконий снижает температуру в-превращеня. [5-7], 5) улучшает коррозионную стойкость [7, 8] и даже устойчивость к окислению. Однако при повышенных температурах упрочняющее действие циркония проявляется сильнее. По этой причине цирконий нередко входит в состав жаропрочных титановых сплавов. Жаростойкость титана при добавке циркония почти не изменяется при температурах нагрева до 600°С, но при 700°С и выше резко падает. Ввиду сравнительно малого влияния на температуру аллотропического превращения титана цирконий относится к группе так называемых нейтральных упрочнителей. Кроме того, цирконий не дорогой и имеет не столь высокую плотность.

Рисунок 1.3 - Диаграммы состояния Ti-Zr.

Гафний. Влияние гафния на температуры б-->в-превращения еще меньше, чем у циркония. При любой концентрации гафния в-фаза так же, как для циркония, не может быть зафиксирована закалкой. Гафний также относится к группе нейтральных упрочнителей. Гафний тяжелый, его нужно много, и он дорогой.

Рисунок 1.4 - Бинарная диаграмма титан-гафний.

Олово тоже можно использовать в виде упрочнителя, но не образует непрерывную растворимость, поэтому можно ввести ограниченно. Олово слабо влияет на температуру полиморфного превращения титана и относится к категории нейтральных упрочнителей. Растворимость олова в б-титане -- 20%. При обычной температуре оно является довольно слабым упрочнителем, но существенно повышает жаропрочность. Поэтому олово добавляют к жаропрочным титановым сплавам обычно в количестве 1-6%, в отдельных случаях -- до 13%. При легировании титана оловом пластичность при комнатной температуре почти не снижается, жаропрочность повышается. Олово повышает технологическую пластичность двойных сплавов Ti-Al. Пример -- широко известный листовой б-сплав, содержащий 5%Аl и 2,5%Sn.



Рисунок 1.5 -Диаграммы состояния Ti-Sn.

1.5 Бинарная диаграмма Ti-Zr. Как влияет легирование цирконием на структуру и мех свойства

На рисунке 1.3 представлена диаграмма фазового равновесия системы Ti-Zr. Согласно диаграмме, в жидком состоянии Ti и Zr неограниченно растворимы друг в друге и образуют непрерывный ряд твердых растворов замещения. В системе Ti-Zr образуются б и вфазы.

Серия титановых сплавов с добавлением циркония была ранее получена в лабораторных условиях [5,6,9]. Хотя цирконий является нейтральным элементом, экспериментально было установлено, что добавление 20% (по весу) Zr к сплаву ВТ6 заметно уменьшает Тпп. Хан и др. [9] изучали связь между легированием Zr и коррозионной стойкостью сплавов Ti-20Zr, и сообщил, что коррозионная стойкость чистого Ti была хуже, чем у сплавов Ti-20Zr. Было установлено также, что при правильном подборе температур термической обработки можно достичь высоких показателей механических свойств. После выдерживания при 450°С сплав ВТ6-20Zr достиг наивысшего предела прочности при растяжении1740 МПа с удлинением 2,3%. Оптимальные механические свойства (уВ=1437 MПa, (у0.2 =1294 MПa, д=6.69%) были получены после закалки и старения при 700° С.

Ранее проведенные работы по легированию жаропрочного титанового сплава ВТ8 цирконием показало, что добавление 20 вес. % Zr уменьшает Тпп с 1010°С для чистого ВТ8 до 905°С для ВТ8-20Zr-01В. Таким образом, несмотря на то, что цирконий считается нейтральным упрочнителем, при высоких концентрациях он может заметно снижать температуру полного полиморфного превращения.

Рисунок 1.6- Влияние легирования 20 вес.% Zr и модифицирования боромна температуру полиморфного превращения (Тпп) сплава ВТ8.

1.6 Постановка задачи исследования

Как следует из литературного обзора в целях расширения области потенциального применения титановых сплавов перспективно легирование большим количеством нейтрального упрочнителя - циркония. В то же время цирконий изменяет температуры превращений, а следовательно и режимы термообработки, позволяющие получить оптимальный баланс механических свойств.

В настоящей работе рассмотрен новый экспериментальный двухфазный титановый сплав Ti-20Zr-6.5Al-3.3Mo-0.3Si-0.1B (вес.%). В качестве основы был взят сплав ВТ8 состава Ti-6,5Al-3,3Mo-0,3Si (вес.%).ВТ8 известен как двухфазный титановый сплав с максимальной рабочей температурой до Т = 500 ° С, используемый для изготовления дисков и лопаток компрессора газотурбинного двигателя [3, 4].

Целью работы явилось выявление закономерностей влияния режимов термической обработки на структуру и механические свойства деформированного сплава ВТ8-20Zr-0,1B. Для этого необходимо установить влияние закалки в воду и старения на структуру и фазовый состав изучаемого сплава. Планируется измерить твердость образцов сплавов после различной термической обработки. Установление режимов закалки и старения позволит получить в изучаемом сплаве оптимальный баланс механических свойств.

2. Методика исследования

2.1 Состав изучаемых материалов и способ их изготовления

В работе изучали двухфазный (б+в)-титановый сплавВТ8-20Zr-0,1B. Сплав ВТ8-20Zr-0,1Bотносится к двухфазным титановым сплавам переходного класса с рабочей температурой до 480-500°С, отличающийся высокой технологической пластичностью. В качестве легирующих материалов были использованы сплав Ti-6.5Al-3.3Mo-0.3Si (вес.%), химически чистый цирконий, алюминий, молибден, кремний и порошок бора чистотой 99,5%. 100-граммовые слитки приблизительного размера Ш45 Ч 15 мм были выплавлены в лабораторной дуговой плавильной печи в атмосфере аргона. Перед плавлением камеру вакуумировали до давления P~10-4 Па, затем заполняли аргоном высокой чистоты. Перед плавкой основного материала расплавляли титановый геттер и плавили его в течение ф=2 мин с целью поглощения им примесных газов. Суть метода плавки аргонно-дуговым способом заключается в расплавлении шихты и перемешивании расплава в медной водоохлаждаемой изложнице с помощью аргоновой дуги, зажигаемой между нерасходуемым вольфрамовым электродом и сплавом. Сила тока дуги достигала I=400 А при напряжении U=34В. Слитки сплавов переворачивали с помощью манипулятора и переплавляли не менее 7 раз для достижения высокой однородности расплава. После кристаллизации слитки охлаждались со скоростью ~5 К/с. Фотография типичного слитка представлена на рисунке 2.1. Алюминий, молибден и кремний были добавлены к сплаву, сильно легированному цирконием, чтобы сохранить тот же процент этих элементов, что и в сплаве Ti-6,5Al-3,3Mo-0,3Si.



Рисунок 2.1 - Внешний вид слитка

2.2 Деформационная и термическая обработка

В качестве деформационного процесса использовали всестороннюю изотермическую ковку (ВИК). Режимы горячей деформации и последующей термической обработки приведены в таблице 2.1. Для горячей деформации использовали заготовки в форме параллелепипеда размером 353515 мм3, вырезанные из 100 г слитков с помощью электроэрозионного станка. Заготовки деформировали с помощью 100-тонного гидравлического пресса EU-100, оснащенного изотермическим штамповым блоком.

Всесторонней изотермической ковке подвергали слитки сплавов с целью измельчения литой структуры (преобразования пластинчатой структуры в мелкозернистую глобулярную) и дробления волокон моноборида титана в модифицированных бором сплавах. Перед ковкой заготовки отжигали при 1030С в течение ф=30 мин и охлаждали на воздухе. Более быстрое охлаждение двухфазных титановых сплавов с однофазной в-области на воздухе способствует образованию пластинчатой структуры с более тонкими пластинами б- и в-фаз. Согласно [1-3], такая обработка способствует более быстрому преобразованию пластинчатой структуры в глобулярную. ВИК проводили при температурах 700 и 650С. При каждой температуре проводили 3-4 осадки с последовательным поворотом оси деформации на 90 (рисунок 2.2). Скорость деформации составляла ??10-3 с-1. Степень деформации при каждой осадке составляла е=40-50%. Суммарная степень деформации составила e?3. После ковки получали заготовки с примерными размерами 40 мм в диаметре и 12 мм по высоте.

Таблица2.1 - Условия и режимы обработки сплавов

ВИК - всесторонняя изотермическая ковка

Термическую обработку после горячей деформации проводили в программируемых высокотемпературных печах сопротивления фирмы ATS с нагревателями из MoSi2. После ВИК часть заготовок модифицированных бором сплавов на основе ВТ8 и сплава ВТ8 отжигали в в-фазовой области при 1030С в течение ф=30 мин и охлаждали вместе с печью. Другую часть заготовок подвергали отжигу в (б+в)-области при 950С в течение ф=1 ч (охлаждение с печью) и при 590С в течение ф=1 ч (охлаждение на воздухе).

2.3 Металлографический и электронно-микроскопический анализ

Образцы шлифовали на наждачных бумагах с постепенным уменьшением зернистости от Р120 до Р4000. После шлифовки образцы механически полировали на алмазных пастах и суспензиях оксида кремния. Электрополировку проводили в электролите состава 20% химически чистой хлорной кислоты в смеси с 80% уксусного ангидрида. Температура электролита поддерживалась ниже 17°С, напряжение полировки составляло U=30-50 В. Поверхность полированных образцов сплавов и композитов на основе технически чистого титана травили в составе с равными объемными долями плавиковой кислоты (конц.), азотной кислоты (конц.) и дистиллированной воды. Травление сплавов и композитов на основе ВТ8 проводили в реактиве 5% плавиковой кислоты (конц.) + 15% азотной кислоты (конц.) + 80% дистиллированной воды. Время травления составляло от 2 до 20 с. С целью определения размеров и морфологии волокон моноборида титана проводили глубокое травление продолжительностью до 5 мин.

Фотографии макроструктуры после травления получали с помощью сканирования при разрешении 3600 dpi. Микроструктуру полированных и травленых образцов изучали с помощью оптической микроскопии (ОМ) на Olympus GX-51, а также с помощью растровой электронной микроскопии (РЭМ) Mira-3 Tescan и ZeissLeo-1550 в режимах обратно-рассеянных электронов (BSE) или вторичных электронов (SE).

2.4 Рентгеноструктурный анализ

Рентгеноструктурные исследования проводили с целью определения фазового состава композиционных материалов на основе ВТ1-0. Для этого использовали рентгеновские дифрактометры ДРОН-4 и Phillips. Съемку проводили с шагом 0,05-0,2є и временем экспозиции до ф=30 с. Использовали рентгеновские трубки с кобальтовым излучением =1,78901 А. Для индицирования и обработки данных использовали специальное программное обеспечение.

2.5 Методика измерения твердости и миктротвердости

Твердость по методу Роквелла определяется на приборе Инстрон модель RB2000. Индентором служит стандартный алмазный конус с углом при вершине 1200 и радиусом закругления вершины 0,2 мм или стальной шарик.

Измерение микротвердости осуществляли на микротвердомере. В качестве индентора при измерении микротвердости используют алмазную пирамиду Виккерса -- правильную четырехгранную алмазную пирамиду с квадратным основанием и углом при вершине 136 °. Пирамиду вдавливают с нагрузкой 100 г в течение 10 сек и шагом 0,5. Замеряли диагонали отпечатка с помощью 40 - кратного объектива. Значения микротвердости рассчитывали по формуле:

Р - вес, прикладываемой на пирамиду нагрузки, кг;

d - Размер диагонали отпечатка, мм.

Погрешность измерения определяли по следующему алгоритму:

1) Находим среднее арифмитическое значение измерений по формуле

????=???????????

где ??=10 - количество измерений для каждого образца.

2) Вычисляем среднее квадратичное отклонение по формуле

3) Находим уточнённое среднее квадратичное отклонение по формуле

4) Находим погрешность измерений

где tp - коэффициент Стьюдента для заданной вероятности P=0,95 и количества измерений n=10.

2.6 Методика проведения механических испытаний

Испытания на растяжение проводили на испытательной машине Instron 5982 при температурах 20-700С. Для этого из материалов, полученных после деформационной и термической обработки, искровым способом вырезали плоские образцы на растяжение с размерами рабочей части 10Ч3,5Ч1,5 мм3. Образцы механически шлифовали и полировали перед испытаниями, для каждого состояния испытывали не менее 3 образцов. Температуру испытания контролировали с помощью цифрового измерителя с хромель-алюмелевой термопарой.

Испытания на ползучесть проводили с помощью машины 2147 П-30/1000 при Т=500-600°С. На каждую точку испытывали по 2 образца. Для этого использовали плоские образцы с размерами рабочей части 3Ч3Ч17 мм3, которые испытывали в течение 50 часов. Испытания были выполнены на воздухе.

3. Результаты и обсуждение

3.1 Исходное состояние сплавов

На рис. 3.1 представлены изображения микроструктуры сплавов в исходном литом состоянии. Видно, что модифицирование бором ведет к существенному измельчению размеров исходных в-зерен и б/в колоний, а легирование цирконием - к дополнительному измельчению размера колоний. Количественная оценка, выполненная для снимков с разным увеличением, подтвердила сделанную визуальную оценку (Таблица 3). Модифицирование бором приводит к уменьшению размера исходных в-зерен примерно на порядок и размера колоний примерно в шесть раз. Легирование цирконием обеспечивает дополнительное уменьшение размера колоний. В итоге, модифицирование бором и легирование цирконием обеспечивают уменьшение размера исходных в-зерен и размера колоний примерно на порядок. Толщина б пластин от состава сплава меняется незначительно (Таблица 3.1).

Рисунок 3.1 - Исходное состояние сплавов (снимки получены в режиме BSE)

Таблица 3.1 - Количественные параметры микроструктуры сплавов в исходном литом состоянии (Dв - размер исходных в-зерен, d - размер колоний, bб - толщина б-пластин)

Сплав	Микроструктурные параметры
	Dв, мкм	d, мкм	bб, мкм
ВТ8	2000400	25025	1,90,4
ВТ8-0,1В	20040	405	2,20,4
ВТ8-20Zr-0,1B	19040	255	2,50,4

3.2 Влияние деформационной обработки на микроструктуру

На рис. 3.2 представлена микроструктура сплава ВТ8-20Zr-0,1B, полученная после всесторонней изотермической ковки. Видно, что горячая деформация приводит к формированию однородной мелкозернистой структуры: средний размер зерен составил d = 20,15 мкм.

Рисунок 2.2 Микроструктура сплава ВТ8-20Zr-0,1B после всесторонней изотермической ковки (ВИК)

3.3 Влияние закалки на микроструктуру и фазовый состав

На рис. 3.2 представлены дифрактограммы, полученные для сплава ВТ8-20Zr-0,1B после закалки из в фазовой области и последующего старения. Закалка ведет к развитию мартенситного превращения в>б?, что не происходит в случае ВТ8 [1]. Как известно [1], б?-фаза имеет орторомбическую решетку, дающую характерное расщепление некоторых интерференционных линий. Кроме того, после закалки в сплаве сохраняется остаточная в-фаза (рис. 3.2а). Следует отметить, что образование орторомбической б?-фазы вместо обычной при закалке таких сплавов как ВТ6, ВТ8 б?-фазы, по всей видимости, связано с повышенным содержанием циркония [10]. Образование б?-фазы после закалки в воду также наблюдали при высоком легировании цирконием сплава Ti-6.5Al-4V [7].

a б

Рисунок 3.2 - Дифрактограммы, полученные для деформированного сплава ВТ8-20Zr-0,1B: a - после закалки в воду от температур в фазовой области (1000°С), б- после закалки от температур в фазовой области (880°С).

На рис. 3.3 представлена микроструктура сплава ВТ8-20Zr-0,1B, полученная после всесторонней изотермической ковки и закалки в воду с 1000°С и 880°С. Видно, что закалка приводит к росту б фазы и формированию однородной мелкозернистой структуры, а так же после закалки в сплаве сохраняется остаточная в-фаза.



Рисунок 3.3 Микроструктура сплава ВТ8-20Zr-0,1B после ВИК и закалки в воду с 1000°С и 880°С

3.4 Влияние закалки и старения на микроструктуру и фазовый состав

Последующее старение приводит к развитию превращений б?>б+в и в>б+в, т.е. структура становится обычной двухфазной. После закалки от в фазовой области и старения при Т = 700°С в сплаве ВТ8-20Zr-0,1B формируется тонкодисперсная пластинчатая б+в структура (Рис. 3б). В случае закалки от верхней части б+в фазовой области и старения при Т = 600°С формируется дуплексная структура со средним размером зерен первичной б-фазы около 2 мкм и тонкодисперсной пластинчатой составляющей. Средняя толщина пластин, оцененная по снимкам с бульшим увеличением (не приведенным здесь), составила около 150 нм в случае старения при Т = 700°С и около 100 нм в случае старения при Т = 600°С. Последующее старение приводит к развитию превращений б?>б+в и в>б+в, т.е. структура становится обычной двухфазной.

Таким образом, упрочняющая термическая обработка позволяет получить в сплаве очень тонкодисперсную структуру с нанометрической толщиной пластин. По всей видимости, этому способствует тот факт, что при закалке мелкозернистого сплава от температур в или б+в фазовой области имеет место необычное для таких двухфазных титановых сплавов мартенситное превращение в>б? с образованием орторомбической б?-фазы, обычно наблюдаемое при закалке титановых сплавов с более высоким коэффициентом в-стабилизации.

a b

Рисунок 3.4 - Микроструктура сплава ВТ8-20Zr-0,1B: a- после ковки, закалки от Т = 1000°С и старения при Т = 700°С, б- после ковки, закалки от Т = 880°С и старения при Т = 600°С.

3.5 Измерение твердости

В таблице 4.2 представлены результаты измерения твердости, выполненные для сплава VT8-20Zr-0.1B после различных обработок. Для сравнения твердость была также измерена для литых сплавов ВТ8 и ВТ8-0.1В. Как видно, сильное легирование цирконием привело к заметному повышению твердости уже в литом состоянии. Последующая ковка приводила к дополнительному упрочнению, что видно из сравнения значений твердости, полученных для литых и кованых состояний. Закалка как от в, так и от верхней части температурного поля б + в привела к уменьшению твердости с 42,4 HRC до 33,8-34,4 HRC (таблица 4), что подтверждает образование мягкой б'' фазы вместо более твердой б', как было показано выше с помощью рентгеновского анализа. После закалочной термообработки, включая закалку и старение, твердость достигала максимальных значений в диапазоне 43,7-52 HRC (таблица 4). Условия, закаленные от Т = 1000 и 880 ° С и состаренные при Т = 700 и 600 ° С, соответственно, были выбраны для дальнейшей работы. Так как закалка с 1000 °С со старением 700 °С приводит к увеличению твердости и пластины в фазы становятся шире. А после закалки 880° С со старением 600° С образуется пластичная структура, которую в этом случае должна обеспечить зерна б' фазы.

Таблица 4 - Результаты измерения твердости исследуемых сплавов

3.6 Механические испытания на растяжение сплава VT8-20Zr-0.1B после различных обработок

На рис. 3.5 представлены механические свойства при растяжении, полученные для сплава ВТ8-20Zr-0,1B после всесторонней изотермической ковки и упрочняющей термической обработки. Для сравнения также представлены взятые из справочника [2] свойства сплава ВТ8 после деформационной обработки, закалки от верхней части б+в фазовой области (Т = 920-940°С) и старения при Т = 550°С. Сплав ВТ8-20Zr-0,1B после закалки от верхней части б+в области и старения при Т = 600°С показал уВ = 1560 МПа при 20°С и уВ = 1230 МПа при 500°С при сохранении приемлемой пластичности (д = 4% при комнатной температуре), сравнимой в диапазоне 20-500°С с полученной для ВТ8. При Т = 600°С пластичность сплава ВТ8-20Zr-0,1B в обоих состояниях оказалась выше, чем в случае ВТ8 (Рис. 4б). По сравнению со сплавом ВТ8 прирост прочности при 20-500С, т.е. в диапазоне рабочих температур сплава, составил 30-40%. При этом, как и ожидалось, сплав с дуплексной структурой показал несколько бульшую прочность и пластичность, чем с тонкодисперсной пластинчатой структурой.

Сопоставляя механические свойства с микроструктурными наблюдениями и принимая во внимание известные данные о влиянии циркония, можно заключить, что существенное влияние на упрочнение экспериментального сплава ВТ8-20Zr-0,1B имело несколько факторов: 1) твердорастворное упрочнение благодаря цирконию, 2) необычное для ВТ8 мартенситное превращение с образованием орторомбической б?-фазы, которое наблюдается для в и б+в титановых сплавов с более высоким коэффициентом в-стабилизации, 3) формирование в результате старения тонкодисперсной пластинчатой структуры с нанометрической толщиной пластин, 4) сдерживание роста в-зерен при нагреве под закалку благодаря присутствию боридов, что способствовало достижению более тонкодисперсной структуры.



Рис. 3.5. Механические свойства при растяжении сплавов ВТ8-20Zr-0,1B и ВТ8, полученные после схожей деформационно-термической обработки, включавшей в себя горячую деформацию и последующую упрочняющую термическую обработку: TО - термическая обработка, состоящая из закалки от Т = 920-940°С и последующего старения при Т = 550°С; TО1 - термическая обработка, состоящая из закалки от Т = 1000°С и последующего старения при Т = 700°С; TО2 - термическая обработка, состоящая из закалки от Т = 880°С и последующего старения при Т = 600°С.

Выводы

1. Модифицирование бором обеспечивает измельчение размера исходных -зерен и б/в колоний в слитке примерно на порядок, а легирование цирконием дополнительно измельчает размер колоний в слитке.

2. Всесторонняя изотермическая ковка при 800-700°С способствует образованию в сплаве ВТ8-20Zr-0,1B глобулярной структуры со средним размером зерен около 2 мкм. Волокна TiB при этом раздробились на частицы длиной до 5 мкм.

3. При закалке в воду деформированного сплава ВТ8-20Zr-0,1B происходит мартенситное превращение с образованием б '' фазы.

4. При последующем старении происходит распад мартенситной фазы на тонкопластинчатую б + в структуру с повышением твердости от 32-34 HRC до 40-50 HRC.

5. Легирование сплава ВТ8 20 вес.% циркония значительно повышает эффективность термического упрочнения. Прочность сплава ВТ8-20Zr-0,1B при 20-500С после всесторонней изотермической ковки и упрочняющей термической обработки оказалась на 30-40% выше прочности ВТ8 после схожей деформационно-термической обработки при близких значениях пластичности. Для сплава ВT8-20Zr-0,1B было получено: уВ = 1560 МПа и д = 4% при комнатной температуре, уВ = 1230 МПа и д = 14% при Т = 500°С.

Список использованной литературы

1. Металлография титановых сплавов, править. By N.F. Аношкин. Москва. Металлургия (1980).

2. Бугаев А.А., Козачухненко И.Н., Крайнев Д.В., Полянчиков Ю.Н.Предпосылки применения опережающего пластического деформирования при точении титановых сплавов // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2015.№ 1. С. 7-9.

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

4. Белов С. П., Брун М. Я., Глазунов С. Г., др., Металловедение титана и его сплавов М.: Металлургия, 1992. - 351 с.

5. R. Jing, S.X. Лян, C.Y. Лю, М.З. Ma, R.P. Liu, Aging-эффекты на микроструктуры и механические свойства сплава Ti-20Zr-6.5Al-4V. Матер. Sci. Eng. A 559 (2013) 474-479.

6. R. Jing, S.X. Лян, C.Y. Лю, М.З. Ma, R.P. Liu, Влияние температуры отжига на микроструктурную эволюцию и механические свойства сплава TiZrAlV Mater. Des. 52 (2013) 981-986.

7. J. Dai, J. Zhu, C. Chen, F. Weng, поведение при высокотемпературном окислении и исследовательский статус модификаций по улучшению стойкости к окислению при высоких температурах титановых сплавов и алюминидов титана: обзор. J. Alloys Comp. 685 (2016) 784-798.

8. A.A. Попов и М.А. Попова, Процессы упорядочения в титановых сплавах, Metal Sci. Термическая обработка. 57 (7-8) (2015) 415-418.

9. Дж. Чжу, А. Камия, Т. Ямада, В. Ши, К. Наганума, Влияние добавки бора на микроструктуру и механические свойства сплавов на основе титановых сплавов. Матер. Sci. Eng. А 339 (2003) 53-62.

10. В.М. Имаев Р.А. Гайсин, Р.М. Имаев, Влияние добавки бора на образование мелкозернистой микроструктуры в коммерчески чистом титане, обработанном горячим сжатием. Матер. Sci. Eng. А 639 (2015) 691-698.

11. В.М. Имаев Р.А. Гайсин, Р.М. Имаев, Влияние добавок и обработки бора на микроструктуру и механические свойства титанового сплава Ti-6.5Al-3.3Mo-0.3Si. Матер. Sci. Eng. A 641 (2015) 71-83.

Размещено на Allbest.ru

...