Структура і властивості високоміцних титанових сплавів, синтезованих із використанням гідрованого титану

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ МЕТАЛОФІЗИКИ ім. Г. В. КУРДЮМОВА

УДК 621.9: 539.219.3:534.2

Спеціальність 05.16.01 - металознавство та термічна обробка металів

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Структура і властивості високоміцних титанових сплавів, синтезованих із використанням гідрованого титану

Матвійчук Михайло Васильович

Київ - 2009

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор, академік НАН України Івасишин Орест Михайлович, Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України, заступник директора з наукової роботи

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, член-кореспондент НАН України Федірко Віктор Миколайович, Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, заступник директора з науково-дослідної роботи

кандидат технічних наук Антонюк Сергій Лазарович, АНТК ім. О.К. Антонова, заступник головного металурга

Захист відбудеться “23” грудня 2009 року о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.168.01 Інституту металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України за адресою 03680, ГСП, м. Київ-142, бульв. Вернадського, 36.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Інституту металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України за адресою: 03680, ГСП, м. Київ-142, бульв. Вернадського, 36.

Автореферат розіслано “20” листопада 2009 р.

Вчений секретар Спеціалізованої вченої ради Д 26.168.01 доктор фізико-математичних наук В.К. Піщак



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Титанові сплави мають унікальний комплекс фізико-механічних властивостей, що робить їх незамінними в багатьох галузях промисловості. Основними споживачами титанових сплавів є аерокосмічна галузь, а також суднобудування, хімічна промисловість, медицина. Різні сфери використання титану зумовлені його властивостями - високою питомою міцністю, унікальною корозійною стійкістю в різних середовищах, зокрема в людському організмі, більшості органічних та мінеральних кислот, лугах, низьким коефіцієнтом термічного розширення, відносно високою температурою плавлення.

Проте висока вартість титанових сплавів суттєво обмежує їх застосування. Істотно знизити вартість виробів з титанових сплавів дозволяють методи їх синтезу з порошкових компонентів (СПК), при якому легувальні елементи додаються до титану у вигляді порошків чистих металів або лігатур. Для досягнення високих фізико-механічних характеристик конструкційних титанових сплавів, отриманих методом СПК, їх відносна густина повинна складати не нижче 98 %. В Інституті металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України були розроблені фізичні засади використання порошку гідрованого титану замість традиційного порошку титану при синтезі сплаву. Застосовуючи прості технологічні операції компактування та спікання порошкових сумішей на основі гідрованого титану, можна отримувати сплави з густиною, близькою до теоретичної. Даний підхід був успішно апробований при синтезі б+в сплавів, зокрема, сплаву ВТ6. Розширення номенклатури сплавів, зокрема, в область високоміцних псевдо-бета сплавів, отриманих даним методом, дозволило би використовувати їх при високих навантаженнях, характерних для виробів авіакосмічної техніки чи автомобілебудування. Міцність псевдо-бета сплавів може сягати 1600 МПа, до того ж термозміцнений стан може бути сформований в крупногабаритних деталях, а термообробкою механічні властивості можна змінювати в широких межах.

Враховуючи вищевикладене, дослідження синтезу високоміцних псевдо-бета титанових сплавів з необхідним комплексом властивостей методом СПК на основі гідрованого титану являє безсумнівний інтерес.

Типовими представниками сплавів даного класу, які найбільш широко використовуються в сучасній авіаційній техніці, є сплави Ti-10V-2Fe-3Al (мас. %) та Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr (мас. %), синтез яких у високоміцному стані є актуальним завданням як з наукової, так і практичної точки зору. Основні проблеми синтезу даних сплавів пов'язані з високим вмістом легувальних елементів (до 18 мас. %), що помітно ускладнює процеси хімічної гомогенізації і заліковування пор у порівнянні з раніше дослідженими, менш легованими композиціями, та високою чутливістю механічних властивостей до дефектів мікроструктури (концентраторів напружень) у високоміцному стані.

Звязок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дана дисертаційна робота виконувалася у відповідності з дослідженнями за бюджетними темами «Моделювання і експериментальні дослідження еволюції фазового складу, мікроструктури і текстури при неперервному нагріванні деформованих сплавів» номер держреєстрації 0105U000184 та «Фізична природа структурних, текстурних і хімічних неоднорідностей і їх роль у формуванні фізико-механічних характеристик титанових сплавів» номер держреєстрації 0107U009636, інноваційними проектами НАН України «Розробка технології виробництва конструкційних деталей з титанових сплавів з підвищеною густиною і втомною міцністю для потреб авіаційної та автомобільної промисловості методом порошкової металургії» (2005-2006, номер держреєстрації 0207U002153), «Організація виробництва порошків наводненого титану і лігатур, придатних для виготовлення листів і плит з титану і його сплавів методом прямої прокатки» (2007, номер держреєстрації 0107U007042); проектом УНТЦ Р-143б «Економічне виробництво титанових деталей методом порошкової металургії для широкомасштабного промислового використання» (2007-2008).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка фізичних засад синтезу високоміцних титанових сплавів різного хімічного складу і визначення параметрів процесу синтезу, що дозволяють отримати оптимальний структурно-фазовий стан, необхідну густину, вміст домішок, та, як наслідок, досягти механічних властивостей, достатніх для практичного використання.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні задачі: титановий синтез хімічний фазовий

вивчити особливості еволюції мікроструктури в процесі перетворення гетерогенних сумішей на основі гідрованого титану з високим вмістом легувальних елементів у хімічно гомогенний сплав;

дослідити особливості ущільнення гетерогенних сумішей (заліковування пор) і визначити фактори, відповідальні за досягнення густини, близької до теоретичної;

дослідити фазові перетворення в процесі синтезу і встановити їх вплив на структуру і механічні властивості сплавів;

визначити параметри, що зумовлюють комплекс механічних властивостей синтезованих сплавів у високоміцному стані.

Обєкт дослідження - високоміцні титанові сплави псевдо-бета класу синтезовані із порошкових сумішей.

Предмет дослідження - фазові і структурні перетворення при синтезі високоміцних титанових сплавів із порошкових гетерогенних сумішей на основі гідрованого титану.

Методи дослідження. Для дослідження фазових і структурних перетворень використовували методи дилатометрії, рентгеноструктурного аналізу, оптичної та скандувальної мікроскопії. Вихідні та синтезовані матеріали досліджували за допомогою гранулометричного, рентгеноспектрального та лазерно-дифракційного методів, а також піддавали механічним випробуванням на розтяг.

Наукова новизна одержаних результатів.

Показано, що введення легувальних елементів у вигляді комплексних лігатур, в яких відносна частка кожного елементу відповідає їх концентрації в сплавах, що синтезуються, сприяє максимально швидкому завершенню синтезу порівняно з їх введенням у вигляді порошків чистих металів, а також їх сполук.

Показано, що лімітуючим процесом при синтезі високолегованих псевдо-бета титанових сплавів з необхідною для високоміцного стану мікроструктурою та властивостями є не досягнення хімічно гомогенного стану, а заліковування пористості. Отримання сплавів з густиною, близькою до теоретичної ускладнюється тим, що на останніх стадіях еволюції системи пор розвивається аномальний ріст зерен.

Встановлено особливості дифузійного перерозподілу легувальних елементів між частками лігатури і титановою матрицею в сплавах різного хімічного складу. Показано, що розвиток дифузійних процесів визначається не лише величинами коефіцієнтів дифузії, але і фазовим станом матриці.

Показано, що зміна швидкості нагрівання дозволяє реалізувати розпад гідриду титану за різними механізмами, що суттєво впливає на взаємозв'язану еволюцію системи пор і зеренної структури.

Практичне значення одержаних результатів.

Розроблено фізичні засади отримання високоміцних псевдо-бета титанових сплавів Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr та Ti-10V-2Fe-3Al та економічно-ефективних технологій виробництва виробів із них методом синтезу з порошкових компонентів.

Розроблено вимоги до порошку гідрованого титану та практичні рекомендації по його виготовленню на Запорізькому титано-магнієвому комбінаті.

Виготовлено прототипи виробів із сплавів Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr та Ti-10V-2Fe-3Al для потреб різних галузей промисловості.

Особистий внесок здобувача. Всі основні результати були отримані здобувачем особисто або за його безпосередньої участі. Здобувач приймав участь у плануванні, підготовці та проведенні експериментів, аналізі та обговоренні отриманих результатів, написанні статей і звітів.

Публікації.

За темою дисертації опубліковано: 6 статей, із них 5 у фахових виданнях; 2 публікації у збірниках тез конференції; отримано 1 патент.

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

«Титан-2007 в СНГ», Ялта, Україна, 15-18 квітня, 2007;

«Титан-2008 в СНГ», Санкт-Петербург, Росія, 17-19 травня, 2008, - 2 доповіді:

"Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследования, применение, экологически чистые технологии производства и утилизации изделий", Ялта, Україна, 22-26 вересня, 2008;

"Современные проблемы физики металлов", Київ, Україна, 7-9 жовтня 2008;

«Титан-2008: производство и применение», Запоріжжя, Україна, 1-2 жовтня 2008;

«Титан-2009 в СНГ», Одеса, Україна, 17-21 травня, 2009;

«XXІ відкрита науково-технічна конференція молодих науковців і спеціалістів», Львів, Україна, 28-30 жовтня 2009.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, пяти розділів, висновків та списку літературних джерел. Повний обєм - 142 сторінки, 86 рисунків, 25 таблиць, список використаних джерел складає 101 найменування.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

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

У першому розділі подано літературний огляд за темою дисертації.

Дано загальну характеристику псевдо-бета та бета-сплавів, показано їх переваги у порівнянні з іншими титановими сплавами. Розглянуто загальні закономірності фазових і структурних перетворень у цих сплавах, описано вплив фазового складу і структури на фізико-механічні властивості. Детально розглянутi особливості отримання, термомеханічної та термічної обробок сплавів Тi-5Al-5Mo-5V-3Cr та Ti-10V-2Fe-3Al.

Порівняно відомі методи отримання виробів із титанових сплавів на основі порошкових технологій, які найчастіше застосовують у практиці: спікання порошків попередньо виплавлених сплавів та синтез сплавів із використанням сумішей порошків титану з легувальними елементами, як у виді чистих металів, так і лігатур. Показано, що перший метод, як правило, дозволяє досягти кращих механічних властивостей отриманих сплавів та виробів, проте другий є значно економічнішим.

Проаналізовано відомі методи покращення характеристик синтезованих сплавів та виробів. Показано, що для отримання деталей з відносною густиною, близькою до теоретичної, найчастіше використовують метод гарячого ізостатичного пресування (ГІП) в автоклавах. Цим методом також можна отримати деталі з різним об'ємним вмістом пор за рахунок зміни тиску і температурно-часових режимів. Його недоліком є висока вартість обладнання та значна собівартість отриманих виробів, а також істотна обмеженість в отриманні деталей складної форми.

Показано, що підхід, запропонований в Інституті металофізики НАН України для синтезу титанових сплавів, який базується на використанні порошку гідриду титану замість традиційного порошку титану, дає принципову можливість отримувати кінцеву густину синтезованих сплавів, близьку до теоретичного значення, без застосування ГІП. Перевагами використання гідрованого титану є низька міцність, що зумовлює специфічний механізм компактування та утворення дисперсної вихідної пористої структури, можливість відновлення поверхневих оксидів атомарним воднем, що виділяється при розпаді гідрованого титану в процесі нагрівання, і утворення великої густини дефектів кристалічної гратки. Як наслідок, значно активізуються дифузійні процеси при спіканні і хімічній гомогенізації системи.

Описано перші успішні спроби синтезу цим методом б+в сплавів (серед них особливе місце займає Ti-6Al-4V), які показали високий потенціал гідридного підходу. Зроблено висновок про доцільність дослідження такого підходу, який включає лише технологічні операції компактування та спікання сумішей порошкових компонентів на основі гідрованого титану, для синтезу псевдо-бета титанових сплавів у високоміцному стані та виробів з них з високою відносною густиною і мікроструктурними параметрами, необхідними для отримання бажаного комплексу фізико-механічних властивостей.

У другому розділі наведено дані про використані матеріали та методики досліджень.

У якості основи вихідних сумішей використовували порошок гідрованого титану як власного, так і промислового виробництва, з вмістом водню не менше 3,5 %, що забезпечувало його однофазний д-стан. Виробництво гідрованого титану освоєно на Запорізькому титано-магнієвому комбінаті при активній участі Інституту металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України. У більшості експериментів вихідний розмір часток гідриду не перевищував 100 мкм. Для досягнення необхідного хімічного складу сумішей легувальні елементи додавали як у вигляді порошків лігатур, що повністю відповідали хімічному складу сплаву, так і різних комбінацій порошків чистих металів і їх сполук. Лігатури виплавляли методом дугової плавки в аргоні на металургійній базі інституту. Гранулометричні характеристики порошку визначали на лазерному аналізаторі Malvern Mastersizer 2000Е. Суміші компактували при кімнатній температурі при тисках від 320 до 960 МПа, компакти нагрівали у вакуумній печі з різними швидкостями до температур в інтервалі 1000 - 1350 оС. При температурах 1250 оС і 1350 оС компакти піддавали витримкам різної тривалості для дослідження різних стадій синтезу. Після завершення нагрівання зразки охолоджували разом з піччю.

Густину після різних стадій синтезу визначали методом гідростатичного зважування, об'ємний вміст пор V, їх морфологію і розмір зерен D контролювали аналізом зображень поверхні шліфів. Особливості процесів ущільнення при нагріванні та фазові перетворення визначали методами дилатометричного і рентгеноструктурного аналізів. Мікроструктуру досліджували за допомогою оптичної (Olympus ІX-70) і растрової електронної мікроскопії (JSM6700). Система EDS мікроаналізу дозволяла визначати локальний хімічний склад і "карти" розподілу окремих елементів. Механічні випробування на розтяг проводили при кімнатній температурі з використанням розривної машини Іnstron 3376 на циліндричних зразках з діаметром робочої частини 4 мм відповідно до стандарту ASTM E8-79a. Вміст кисню і водню у вихідних і синтезованих матеріалах вимірювали за допомогою газоаналізатора ELTRA OH900.

Третій розділ присвячений дослідженню процесів синтезу високоміцного псевдо-бета титанового сплаву Тi-5Al-5Mo-5V-3Cr із сумішей порошкових компонентів на основі гідрованого титану.

На першому етапі для досягнення необхідного складу легувальні елементи вводили у вигляді порошку комплексної лігатури складу 27,8%Al-27,8%V-27,8%Mo-16,6%Cr. Вибір саме комплексної лігатури аргументований необхідністю отримати максимально однорідний розподіл легувальних елементів, а також тим, що вона є крихкою і легко подрібнюється.

Встановлено, що кінцева густина сплаву не суттєво залежить від тиску компактування (рис. 1), що має велике практичне значення, оскільки дозволяє отримати однорідну мікроструктуру в складних виробах, для яких важко забезпечити однакові умови компактування в різних частинах. Враховуючи даний результат, в подальшому експерименти проводили переважно при тиску 640 МПа.

Для дослідження особливостей процесів перерозподілу легувальних елементів, еволюції мікроструктури та ущільнення порошкової гетерогенної системи зразки нагрівали у вакуумній печі зі швидкістю 20 оС/хв. Відносно висока швидкість нагрівання сприяє більш повному відновленню поверхневих оксидів і тим самим дозволяє отримати вміст кисню в синтезованих сплавах на рівні 0,16-0,18 %, що повністю задовольняє вимогам стандартів.

Дослідження показали, що при швидкості нагрівання 20 оС/хв відчутний перерозподіл легувальних елементів і зв'язана з цим еволюція мікроструктури починається при температурах, близьких до 1000 єС (рис. 2).

Рис. 1. Вплив тиску компактування на густину суміші складу Тi-5Al-5Mo-5V-3Cr до (1) і після (2) синтезу при 1250 оС, 4 год; швидкість нагрівання 7 оС/хв.

Першим, згідно з його вищою дифузійною рухливістю в б-титані, дифундує алюміній, утворюючи збагачені цим елементом зони навколо легувальних часток. Активна дифузія V, Mo і Cr, які мають низьку розчинність в б-титані, має місце лише при подальшому підвищенні температури, коли відбувається фазове перетворення б>в і, відповідно, зникають фазові бар'єри для їх проникнення в титанову матрицю. Ізотермічна витримка при 1250 оС сприяє подальшому розвитку гомогенізації. Хімічна і пов'язана з нею мікроструктурна неоднорідність повністю зникає після двох годин витримки при 1250 оС (рис. 2).

Рис. 2. Еволюція мікроструктури сплаву Ті-5Al-5V-5Mo-3Cr при нагріванні зі швидкістю 20 оС/хв і наступній ізотермічній витримці при 1250 оС: а-1000 оС; б-1250 оС; в-1250 оС, 15хв; г-1250 оС, 120 хв.

Паралельно відбувається ущільнення компактів. Підвищення густини при нагріванні сумішей на основі гідрованого титану зумовлено двома процесами: фазовим перетворенням TiH2Ti+2H та спіканням порошкових часток. Виділення водню з гратки гідриду, що супроводжується значним об'ємним ефектом, починається вже при 350 оС і є визначальним у підвищенні густини з 3,3 до 3,6 г/см3 при нагріванні до 1000 оС. Подальше підвищення густини досягається за рахунок зменшення об'ємного вмісту пор ще на стадії нагрівання (рис. 3а, крива 1), проте основне ущільнення відбувається при ізотермічній витримці (рис. 3б). Для завершення процесів ущільнення витримка має складати не менше чотирьох годин, подальше збільшення часу витримки недоцільно, оскільки стають домінуючими процеси коалесценції пор, які відбуваються без зменшення їх об'ємної долі.

Рис. 3. Зміна густини компактів складу Ті-5Al-5V-5Mo-3Cr при нагріванні (а) зі швидкостями 20 оС/хв (1) і 7 оС/хв (2) і наступній ізотермічній витримці (б) при 1250 єС (1, 2) і 1350 єС (3).

Отримане витримкою при 1250 оС значення відносної густини, складає лише 97,3 %. Це помітно менше, ніж отримані раніше, близькі до 99 %, значення для сплаву Ti-6Al-4V, що, безумовно, є відображенням більш складного характеру легування сплаву Тi-5Al-5Mo-5V-3Cr. Зниження швидкості нагрівання до 7 оС/хв хоча і забезпечує швидше заліковування пор на стадії нагрівання (рис. 3а, крива 2), проте кінцева густина складає лише 95,4 % (рис. 3б, крива 3). Підвищення температури синтезу до 1350оС лише незначно підвищує густину до 97,8 % (рис. 3б, крива 2) проте має негативний вплив на зеренну структуру, оскільки на фоні значного підвищення середнього розміру зерен появляються окремі зерна аномального розміру (рис. 4).



Рис. 4. Аномально крупні зерна в структурі сплаву Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr, синтезованого при 1350 оС.

Параметри структури і механічні властивості синтезованого сплаву Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr наведено в табл. 1. Висока стабільність -фази в цьому сплаві зумовлює повільну кінетику її розпаду при охолодженні. Тому в умовах неперервного охолодження в печі встигають пройти лише початкові стадії розпаду з утворенням дисперсних виділень -фази. Міцність такого сплаву перевищує вимоги до високоміцного стану (табл. 1, п. 1-2), проте його пластичність, особливо після синтезу при 1350 оС, є незадовільною.

Для підвищення пластичності була проведена корекція морфології -фази за рахунок зміни режиму охолодження з неперервного на охолодження з ізотермічною витримкою у верхній частині -області (750 оС). Це дозволило сформувати близьку до рівноважної пластинчасту структуру, характерну для даного сплаву у відпаленому стані, проте її міцність впала до неприйнятних для високоміцного стану значень (табл. 1, п. 3-4). Баланс міцності і пластичності був дещо покращений додатковою термічною обробкою (табл. 1, п. 5), проте необхідного рівня міцності згідно вимог до високоміцного стану (табл. 1, п. 7) не було досягнуто.



Таблиця 1 - Властивості сплаву Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr, синтезованого за різними режимами

№	Режим синтезу	V, %	D, мкм	0,2, MПa	В, MПa	, %	, %
1	1250оС, 4 год, неперервне охолодження	2,7	75	1172	1268	2,6	4,3
2	1350оС, 4 год, неперервне охолодження	2,2	129	1258	1350	0,7	1,4
3	1250оС, 4 год, охолодження з витримкою 1 год при 750оС	2,7	75	966	1067	10,1	16,9
4	1350оС, 4 год, охолодження з витримкою 1 год при 750оС	2,2	129	933	1031	11,3	14,8
5	1350оС, 4 год, охолодження з витримкою 1 год при 750оС + зміцнююча ТО	2,2	129	1026	1122	10,2	15
6	1200оС, 4 год, неперервне охолодження + зміцнююча ТО (оптимізований вихідний стан)	1,5	100	1200	1304	6,8	10,3
7	Регламентовані властивості сплаву згідно стандартів	BMS 7-360 високоміцний стан	1170	1240	5	-
		MTL 103 середньоміцний стан	1000	1100	9	-

На підставі мікроструктурних досліджень зроблено висновок, що взаємозв'язана еволюція пор і зеренної мікроструктури в-фази при синтезі сплаву Tі-5Al-5V-5Mo-3Cr не дозволяє зміною температурно-кінетичних режимів знизити об'ємний вміст залишкових пор нижче 2,2 % при збереженні дрібнозернистої мікроструктури. Отримана структура має задовільну пластичність при рівні міцності 1100 МПа, проте без зменшення об'ємного вмісту пор і обмеження росту зерен забезпечити необхідний рівень пластичності у високоміцному стані неможливо.

У четвертому розділі з метою досягнення достатніх пластичних характеристик у високоміцному стані досліджено можливі способи покращення структури і властивостей синтезованого сплаву Ті-5Al-5V-5Mo-3Cr за рахунок модифікації вихідного стану порошкових сумішей.

Проведено порівняльне дослідження процесу синтезу при різних варіантах легування. Окрім додавання легувальних елементів до порошку основи у вигляді комплексної лігатури, описаної у третьому розділі, використовували чотири інші комбінації порошків чистих металів і їх сполук відповідно до хімічного складу сплаву Ті-5Al-5V-5Mo-3Cr. Склади лігатур і відповідні результати, отримані при температурах синтезу 1250 і 1350 оС з ізотермічною витримкою при охолодженні, наведено в табл. 2.

Таблиця 2 - Властивості сплаву Тi-5Al-5Mo-5V-3Cr, синтезованого з використанням різних варіантів легування

№	Легувальні порошки	Т, оС	V, %	D, мкм	0,2, MПa	В, MПa	, %	, %
1	50%Al-50%V + Mo +Cr	1350	2	102	1024	1108	10,9	13,7
		1250	2,4	87	1030	1108	6	8,2
2	50%Mo-50%V + 60%Ti-40%Al +Cr	1350	3,7	198	966	1052	2,7	6
		1250	5,4	140	800	860	0,7	3,1
3	50%V-50%Mo + 62,5%Al-37,5%Cr	1350	3,5	200	960	1050	2,5	3,9
		1250	4,8	138	900	990	2,6	4,1
4	38,5%V-38,5%Mo-23%Cr + 60%Ti-40%Al	1350	3	183	1005	1106	2,7	5,9
		1250	4,8	120	896	983	3,6	5,2

Із порівняння результатів, наведених у табл. 1 і 2 видно, що лише при варіанті легування 1 механічні властивості були близькими до властивостей, отриманих з використанням комплексної лігатури. Проте це справедливо лише для синтезу при 1350 оС, що обмежує використання такого сплаву у високоміцному стані внаслідок можливості аномального росту зерен і зв'язаного з цим падіння пластичності. У варіантах легування 2-4 отримано незадовільні механічні властивості, які зумовлені такими факторами, як крупнозерниста мікроструктура, низька відносна густина, неповна хімічна і мікроструктурна гомогенність матеріалу.

Ефективним способом покращення характеристик синтезованого сплаву виявилось забезпечення максимальної морфологічної однорідності вихідної суміші шляхом використання більш дисперсних фракцій комплексної лігатури (<40 мкм) та збільшення часу їх змішування з порошком гідриду титану. Це сприяло формуванню рівномірного розподілу дисперсних пор у вихідному стані і їх більш ефективному заліковуванню при нагріванні за рахунок рівномірного розподілу дифузійних потоків.

Як наслідок, суттєво знижується об'ємний вміст пор до 1,3-1,5 % вже при температурі 1200 оС, коли параметри зеренної структури (середній розмір зерен, розмірна однорідність) ще знаходяться в межах, які дозволяють реалізувати високоміцний стан без втрати пластичності. Досягнутий в результаті такого методологічного підходу рівень механічних властивостей (табл. 1, п. 6) і їх порівняння зі стандартом BMS 7-360 (табл. 1, п. 7) дозволяє стверджувати, що поставлена мета роботи, а саме, розробка фізичних засад синтезу сплаву Ті-5Al-5V-5Mo-3Cr у високоміцному стані, досягнута.

На основі отриманих результатів виготовлено деталі зі сплаву Ті-5Al-5V-5Mo-3Cr (рис. 5). Мікроструктурний аналіз і механічні випробування, проведені незалежними лабораторіями, засвідчили їх належну якість.

Рис. 5. Деталі зі сплаву Ті-5Al-5V-5Mo-3Cr.

У пятому розділі наведено результати дослідження процесу синтезу високоміцного псевдо-бета сплаву Tі-10V-2Fe-3Al з порошкової суміші гідриду титану і комплексної лігатури складу 66,67%V-13,33%Fe-20%Al (мас.), що відповідає його хімічному складу. Принциповою відмінністю сплаву Tі-10V-2Fe-3Al є те, що до його складу входить залізо, коефіцієнт дифузії якого, як в б-, так і в в-фазі є найвищим серед усіх легувальних елементів.

Показано, що дифузійний перерозподіл легувальних елементів завершується утворенням хімічно гомогенного сплаву вже після ізотермічної витримки протягом 1,5 год при температурі 1250 єС, тобто швидше, ніж у сплаві Ті-5Al-5V-5Mo-3Cr. Дослідження локального хімічного складу в околі легувальних часток показало, що, незважаючи на вищий коефіцієнт дифузії заліза, при нагріванні спочатку спостерігається проникнення алюмінію в титанову матрицю, тоді як вихід ванадію і заліза за межі часток лігатури стає можливим лише після суттєвого підвищення температури.

На рис. 6 наведено залежності підвищення густини зразків сплаву Tі-10V-2Fe-3Al при нагріванні до температури 1250 єС зі швидкістю 20 єС/хв та подальшій ізотермічній витримці в порівнянні з аналогічними залежностями для сплаву Ті-5Al-5V-5Mo-3Cr.

Показано, що ущільнення компактів у даному випадку, як і при синтезі сплаву Ті-5Al-5V-5Mo-3Cr, визначається дегідруванням порошку основи і спіканням порошкових часток, проте порівняння виявило суттєві відмінності між двома сплавами. По-перше, в аналогічних умовах нагрівання ущільнення відбувається значно швидше у сплаві Ti-10V-2Fe-3Al. По-друге, відносна густина після завершення витримки у цьому сплаві суттєво нижча (96 %), ніж у сплаві Ті-5Al-5V-5Mo-3Cr. Встановлено, що підвищений об'ємний вміст пор не пов'язаний з можливим утворенням і плавленням евтектик у системі Ti-Fe.

Рис. 6. Зміна густини компактів складу Ti-10V-2Fe-3Al при нагріванні (а) і наступній ізотермічній витримці при 1250 єС (б). Штриховими лініями нанесено аналогічні залежності для сплаву Ті-5Al-5V-5Mo-3Cr

Середній розмір зерна у синтезованому при 1250 єС сплаві Ti-10V-2Fe-3Al складає 105 мкм проти 75 мкм у сплаві Ті-5Al-5V-5Mo-3Cr. Підвищення температури ізотермічної витримки, хоч і зменшує об'ємний вміст пор до 2,8 %, проте супроводжується ще більш суттєвим ростом зерен і появою аномально крупних (до 400 мкм) зерен.

Дано пояснення подібній мікроструктурній еволюції, в основі якого лежить висока дифузійна рухливість заліза, стримувана до завершення б>в перетворення низькою розчинністю заліза в б-фазі. Внаслідок існування збагаченого алюмінієм шару б-фази між частками лігатури і матрицею завершення б>в перетворення відбувається при значно вищих, ніж у чистому титані, температурах (>1000 оС), що спричиняє активну роль заліза не тільки у заліковуванні пор ще при нагріванні до температур ізотермічної витримки, а й сприяє росту зерен внаслідок підвищення рухливості їх границь. У свою чергу, зменшення площі границь зерен, які є ефективними стоками для вакансій, сповільнює заліковування пор і сприяє їх коалесценції, що знову ж таки пришвидшує ріст зерен, тобто мікроструктурна еволюція має ознаки автокатолітичного процесу.

Встановлено, що завдяки відносно низькій стабільності в-фаза у сплаві Ti-10V-2Fe-3Al ще в процесі охолодження формує близьку до рівноважної б+в пластинчату мікроструктуру, яка демонструє відмінні характеристики пластичності, незважаючи на високий об'ємний вміст пор (табл. 3, п. 1-2); пластичність синтезованого при 1250 єС сплаву дещо нижча, що зумовлено більшою об'ємною долею залишкових пор. Синтезований сплав не поступається за міцністю своїм аналогам, отриманим традиційними методами після відпалу, проте не задовольняє вимогам до високоміцного стану (табл. 3, п. 5). Його термічне зміцнення за стандартним режимом істотно підвищує характеристики міцності (табл. 3, п. 3), однак у зміцненому стані чітко проявляється негативна роль аномально крупних зерен і залишкових пор як концентраторів напружень, що має своїм наслідком повну крихкість сплаву.

Таблиця 3 - Властивості сплаву Ti-10V-2Fe-3Al, синтезованого за різними режимами

№	Режим синтезу	V, %	D, мкм	0,2, MПa	В, MПa	, %	, %
1	1250 оС, 4 год, швидкість нагрівання 20 оС/хв	4,0	105	944	1033	8,0	13,5
2	1350 оС, 4 год, швидкість нагрівання 20 оС/хв	2,8	159	939	1033	12,0	19,5
3	1350 оС, 4 год, швидкість нагрівання20 оС/хв + зміцнююча ТО	2,8	159	1166	1205	0,5	4,2
4	1200 оС, 4 год, висока швидкість нагрівання + зміцнююча ТО	2	82	1115	1250	5,2	11,0
5	Регламентовані властивості сплаву згідно стандартів	високоміцний стан AMS 4984	1103	1193	4	-
		середньоміцний стан AMS 4986	998	1103	6	10

Спроба змінити співвідношення процесів еволюції пор та росту зерен за рахунок оптимізації вихідного мікроструктурного стану, аналогічно тому, як це було зроблено для сплаву Ті-5Al-5Mo-5V-3Cr, виявилась менш вдалою. Було досягнуто певного зменшення об'ємного вмісту пор до 2,5 % при зниженні температури синтезу до 1200 єС, що дозволило запобігти значному росту зерна, проте пластичність такого матеріалу після зміцнюючої термообробки залишалася надто низькою (д=1 %).

Показано, що використання в якості вихідного матеріалу не титану, а гідриду титану створює унікальну можливість модифікувати процес синтезу таким чином, щоб максимально використати інтенсифікацію дифузійних процесів заліковування пор за рахунок легування залізом у всьому температурному інтервалі нагрівання, а не лише після завершення б>в перетворення, коли процес росту зерен стає домінуючим. Запропоновано використати температурно-кінетичний режим синтезу, при якому титанова матриця не зазнає в>б>в перетворення, а залишається в однофазній в-області після завершення розпаду гідриду титану (рис. 7), і визначено необхідні для цього швидкості нагрівання (предмет патентування).

Реалізація синтезу в даних умовах дозволила отримати сплав із дрібнозернистою мікроструктурою та відносною густиною на рівні 98 % при температурі 1200 єС, механічні властивості якого (табл. 3, п. 4) повністю відповідають вимогам стандарту AMS 4984 для даного сплаву у високоміцному стані (табл. 3, п. 5).

Рис. 7. Схема поліморфних перетворень при повільному (1) і швидкому (2) нагріванні гідриду титану.

Використовуючи наведені вище результати, було продемонстровано можли-вість виготовлення деталей складної форми зі сплаву Ti-10V-2Fe-3Al з високим комплексом механічних властивостей.



ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

Встановлено, що через складний взаємозв'язок еволюції системи пор і зеренної структури досягти густини, близької до теоретичної, при збереженні рівномірної дрібнозернистої структури зміною температурно-кінетичних умов синтезу в псевдо-бета титанових сплавах неможливо без суттєвої модифікації вихідних гетерогенних сумішей.

Показано, що необхідною умовою для отримання оптимального співвідношення між об'ємним вмістом пор і параметрами зеренної структури є забезпечення максимально рівномірного розподілу дифузійних потоків у процесі синтезу, що досягається використанням дисперсних фракцій порошків комплексних лігатур і формуванням системи дисперсних пор за рахунок подрібнення часток гідридної матриці при компактуванні.

Встановлено, що дифузія легувальних елементів розпочинається в умовах, коли внаслідок інтенсивного розпаду гідриду титану за схемою ТіН2>Ті(в)>Ті(б)>Ті(в) кристалічний стан матриці відповідає б (ГЩУ)-гратці. Це сприяє дифузії алюмінію, але обмежує дифузію інших легувальних елементів, які стабілізують в-фазу, внаслідок їх низької розчинності в б-фазі, і мінімізує їх роль у заліковуванні пор до завершення б>в перетворення в збагачених алюмінієм областях. Швидка дифузія легувальних елементів, особливо заліза, є основною причиною росту зерен і появи аномально крупних зерен.

Запропоновано термо-кінетичний режим синтезу, який дозволяє реалізувати розпад гідриду титану за схемою ТіН2>Ті(в) і уникнути утворення б-фази при нагріванні, тобто забезпечити розвиток синтезу виключно в однофазній в-області. Показано, що такий режим синтезу забезпечує отримання високоміцних станів у синтезованих сплавах.

Доказано, що синтезовані сплави Ti-10V-2Fe-3Al та Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr після додаткової термічної обробки задовольняють вимогам стандартів відповідно AMS 4984 та BMS 7-360, які регламентують їх властивості у високоміцному стані.

На основі проведених досліджень розроблено вимоги до вихідної сировини - порошку гідриду титану, які реалізовано в спільній роботі з Запорізьким титано-магнієвим комбінатом. Із використанням порошків гідриду титану промислового виробництва і лігатур, виготовлених на металургійній базі Інституту металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України, отримано прототипи виробів із високоміцних титанових сплавів.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Пат. 22692 Україна МПК С 22 С 1/04. Спосіб отримання виробів з титанових сплавів О.М.Івасишин, О.Г.Моляр, Д.Г.Саввакін, М.В.Матвійчук, С.А.Бичков, В.В.Телін; заявник та патентоотримувач Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України. - № U2006131170; заяв.13.12.2006; опубл. 25.04.07, Бюл. №5.

2. Вплив способу легування на мікроструктуру і властивості сплаву Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr, синтезованого методом сумішей порошкових компонентів / О.М.Івасишин, О.Г.Моляр, М.В.Матвійчук [та ін.] // Наукові вісті НТУУ КПІ. - 2009. - №4. -С. 79-84.

3. Микроструктура и свойства сплава Ti-10V-2Fe-3Al, синтезированного методом порошковой металлургии / О.М.Ивасишин, Д.Г.Саввакин, М.В.Матвийчук [та ін.] // Технология легких сплавов. - 2009. - №2. - С. 70-76.

4. Саввакін Д.Г. Синтез високоміцного сплаву Ti-10V-2Fe-3Al методом порошкової металургії / Д.Г.Саввакін, М.В.Матвійчук // Металознавство та обробка металів. - 2009. - №3. - С. 36-42.

5. Деформаційне зміцнення та руйнування сплаву ВТ6, синтезованого методом порошкової металургії / О.І.Дехтяр І.В.Моісеєва, М.В.Матвійчук [та ін.] // Фізико-хімічна механіка матеріалів. - 2008. - Т. 44. - №3. - С. 107-111.

6. Синтез титанового сплава Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr методом порошковой металлургии / О.М.Ивасишин, М.В.Матвийчук, В.И.Бондарчук [та ін.] // Металлофизика и новейшие технологии. - 2009. - Т. 38. - №8. - С. 1125-1142.

7. Апробация порошков гидрированого титана производства КП ЗТМК в технологических процессах порошковой металлурги / О.М.Ивасишин, В.В.Тэлин, М.В. Матвийчук [та ін.] // Ti-2007 в СНГ : междунар. науч.-техн. конф., 15-18 апр. - 2007г. : труды - К., 2007. - С. 73-78.

8. Ivasihsin O. Microstructure and properties of в-titanium alloys produced with blended elemental powder metallurgy approach / Ivasihsin O., Matviychuk M., Savvakin D. // Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследования, применения, экологически чистые технологии производства и утилизации изделий : V междунар. конф., 22-26 сен. 2008 г. : тезисы докл. - К., 2008. - С.145.

9. Матвийчук М.В. Синтез высоколегированных титановых сплавов методом порошковой металлургии / М.В. Матвийчук // Титан-2008: производство и применение : молод. конф., 1-2 окт. 2008 г. : тезисы докл. - З., 2008. - С.14.



АНОТАЦІЯ

Матвійчук М.В. Структура і властивості високоміцних титанових сплавів, синтезованих із використанням гідрованого титану. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.16.01 - металознавство та термічна обробка металів. Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України, 2009.

Дисертація присвячена розробці фізичних засад отримання високоміцних псевдо-бета титанових сплавів з високим вмістом легувальних елементів (до 18 мас. %) методом синтезу з порошкових компонентів на основі гідрованого титану.

Проведено порівняльне дослідження процесів хімічної гомогенізації, еволюції мікроструктури, ущільнення гетерогенних сумішей при синтезі сплавів Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr та Ti-10V-2Fe-3Al. Показано, що: максимально швидке завершення синтезу досягається при введенні легувальних елементів у вигляді комплексних сполук відповідного хімічного складу, а лімітуючим процесом при синтезі є заліковування пористості. Специфікою сплавів даного класу, легованих одночасно елементами, які стабілізують б- і в-фази є те, що через складний взаємозв'язок еволюції системи пор і зеренної структури, отримати густину близьку до теоретичної надзвичайно складно. Показано, що ефективними методами формування високоміцних станів у сплавах є створення рівномірних дифузійних потоків за рахунок використання дисперсних фракцій легувальних порошків і модифікація температурно-кінетичних умов синтезу для забезпечення процесу розпаду гідриду титану виключно в в-області. На основі проведених досліджень розроблено вимоги до порошку гідриду титану і отримано прототипи виробів із високоміцних титанових сплавів.

Ключові слова: титан, гідрид титану, порошкові суміші, відносна густина, об'ємний вміст пор, мікроструктура, механічні властивості.



АНОТАЦИЯ

Матвийчук М.В. Структура и свойства высокопрочных титановых сплавов, синтезированных с использованием гидрированного титана. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.01 - металловедение и термическая обработка металлов. Институт металлофизики им. Г.В. Курдюмова НАН Украины, 2009. Диссертация посвящена разработке физических принципов синтеза высокопрочных псевдо-бета титановых сплавов с высоким содержанием легирующих элементов (до 18 масс. %) из смесей порошковых компонентов на основе гидрированного титана. Проведено сравнительное исследование процессов химической гомогенизации, эволюции микроструктуры и уплотнения гетерогенных смесей при синтезе сплавов Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr и Ti-10V-2Fe-3Al. Для достижения необходимого состава легирующие элементы вводили в виде порошков комплексных лигатур состава 27,8%Al-27,8%V-27,8%Mo-16,6%Cr и 66,67%V-13,33%Fe-20%Al (масс.) для сплавов Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr и Ti-10V-2Fe-3Al соответственно. Обнаружено, что при температуре синтеза 1250oС для достижения максимальной относительной плотности (96-97,7 %) изотермическая выдержка должна составлять не менее 4ч, в то время, как однородная микроструктура в сплавах Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr и Ti-10V-2Fe-3Al достигается уже через 2 и 1,5 ч сответственно. Повышение температуры синтеза до 1350оС приводит к незначительному росту плотности и к нежелательному увеличению размеров зерна. Показано, что за счет коррекции только температурно-кинетических режимов при синтезе сплавов достичь плотности, близкой к теоретической, при сохранении мелкозернистой микроструктуры невозможно. Проведено сравнительное исследование процесса синтеза при различных вариантах легирования для сплава Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr. Кроме добавления легирующих элементов к порошку основы в виде комплексной лигатуры, использовали четыре другие комбинации порошков чистых металлов и их соединений в соответствии с химическим составом сплава. Показано, что использование комплексной лигатуры в сплаве Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr способствует максимально быстрому завершению синтеза при температуре 1250 єС по сравнению с другими вариантами легирования. При других вариантах легирования получены неудовлетворительные механические свойства, которые предопределены такими факторами, как крупнозернистая микроструктура, низкая относительная плотность, неполная химическая и микроструктурная гомогенность материала. Показано, что эффективным способом улучшения характеристик синтезированного сплава является обеспечение максимальной морфологической однородности исходной смеси путем использования более дисперсных фракций комплексной лигатуры (<40 мкм) и увеличения времени их смешивания с порошком гидрида титана. Это способствовало формированию однородного распределения дисперсных пор в исходном состоянии и их более эффективному залечиванию при нагревании за счет равномерного распределения диффузионных потоков. Как следствие, появляется возможность существенно уменьшить объемное содержание пор при снижении температуры синтеза до 1200 оС, и получить оптимальное соотношение мелкозернистой структуры (100 мкм) и высокой относительной плотности (98,5-98,7 %) в сплаве Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr, что позволило достичь высоких механических свойств (0,2=1200 MПa; В=1304 MПa; =6,8 %; =10,3 %). Однако, для сплава Ti-10V-2Fe-3Al обеспечение максимальной морфологической однородности исходной смеси не позволяет достичь относительной плотности выше 97,5 %, что связано с особенностями диффузионного поведения железа в титане. Показано, что изменением режимов нагрева и реализацией синтеза сплава Ti-10V-2Fe-3Al исключительно в в-области, возможно в полной мере реализовать низкотемпературные диффузионные процессы залечивания пор и, как следствие, получить сплав с относительной плотностью на уровне 98 % при сохранении мелкозернистой структуры (82 мкм), достигнув высоких механических свойств (0,2=1115 MПa; В=1250 MПa; =5,2 %; =11,0 %). На основе результатов исследования оптимизированы режимы синтеза, которые позволили получить сплавы с высокими механическими свойствами в высокопрочном состоянии, не уступающими свойствам сплавов, полученных традиционными методами металлургии. На основе проведенных исследований разработаны требования к порошку гидрида титана и получены прототипы изделий из высокопрочных титановых сплавов.

Ключевые слова: титан, гидрид титана, порошковые смеси, относительная плотность, объёмное содержание пор, микроструктура, механические свойства.



SUMMARY

Matviychuk М.V. Structure and properties of high-strength titanium alloys synthesized using hydrogenated titanium. Manuscript.

Thesis to obtain candidate of technical sciences scientific degree on speciality 05.16.01 - metal science and heat treatment of metals. Institute for Metal Physics, Kiev, 2009.

The aim of this study is development of physical bases for synthesis of highly alloyed near beta titanium alloys with blended elemental powder metallurgy approach using hydrogenated titanium as the base powder.

The comparatively study of homogenization, densification and microstructure evolution upon synthesis of Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr and Ti-10V-2Fe-3Al alloys has been performed. It was shown that introduction of alloying elements as complex master alloy powders resulted in fast completion of homogenization, while densification and healing of pores determines completion of whole synthesis. Specific feature of studied compositions simultaneously alloyed with and stabilizing elements is mutual correlation of porosity and grain size evolution. As a result, density close to theoretical value hardly can be attained. It was shown that application of disperse alloying particles, creation of uniform diffusion mass transfer and correlation of heating and sintering regimes to carry out sintering exclusively in в-phase field are useful to form high-strength states in synthesized alloys. On the base of present results, demands to starting hydrogenated titanium powder have been developed. Article prototypes from high-strength titanium alloys have been produced.

Key words: titanium, titanium hydride, powder blends, relative density, porosity, microstructure, mechanical properties.

Размещено на Allbest.ru

...