Дослідження впливу варіацій хімічного складу на структуру та властивості легованих титанових сплавів після гвинтової екструзії Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 669.295:620.179

Канд. техн. наук Т. О. Коваленко1, д-р техн. наук В. Ю. Ольшанецький2, О. А. Джуган2 1 АТ «Мотор-^ч», 2 Запорiзький нацiональний технiчний уыверситет, м. Запорiжжя

ДОСЛ1ДЖЕННЯ ВПЛИВУ ВАР1АЦ1Й Х1М1ЧНОГО СКЛАДУ НА СТРУКТУРУ ТА ВЛАСТИ ВОСТ1 ЛЕГОВАНИХ ТИТАНОВИХ СПЛАВ1В П1СЛЯ ГВИНТОВО1 ЕКСТРУЗИ

Розроблено технологгчну схему та визначенI основнI режими процесу деформацИ, що забезпечують формування субм1крокристал1чно1 структури в дослгдних сплавах. Досл1джено вплив вмгсту легувальних елементгв на структуру та механгчт властивостг титанових сплавгв, що пгддаються ¡нтенсивнш пластичнш деформацИ, а також отримано в1дпов1дт аналгтичнг залежност1 для корегування хгмгчного складу.

Ключовi слова: структура, мехатчт властивостг, легувальт елементи, ттенсивна пластична деформацгя, титан, дослгдт сплави, аналгтичнг ргвняння.

На сьогодш спостерпаеться стшка тенденщя щодо збшьшення обсягу споживання титану на световому ринку. При цьому частка використання титанових сплавiв у aвiaдвигyнобудувaннi досягае 60 % i надалi прогнозуеться збшьшення цього показника [1]. В умо-вах збшьшення навантажень на вщповвдальш дет^ су-часних аиащйних газотурбiнних двигунiв (ГТД) до ме-ханiчних властивостей титанових сплавiв пред'являють-ся все бiльш висок1 вимоги [2]. Аналiз сучасних наукових публiкацiй показав, що перспективним у цьому напрям-ку е формування субмiкрокристaлiчно! (СМК) структури методами штенсивно! пластично! деформаци (1ПД) [3, 4]. Вважаеться, що найбшьш ефективним методом тако! деформацшно! обробки е гвинтова екструзiя (ГЕ) [5]. У той же час, на сьогодш недостатньо шформацп щодо впливу хiмiчного складу сплавiв на процес такого роду деформацп.

Отже, основним завданням, поставленим у робоп, було отримання титанових сплавiв з рiзним хiмiчним складом з !х подальшим деформуванням для забезпе-чення СМК структури та встановлення вiдповiдних за-лежностей мiж рiвнем механiчних властивостей та вм^ом легувальних елеменпв у матерiалi.

Субмiкрокристалiчну структуру в дослвдних титанових сплавах, виплавлених вщповвдно до матриц плануван-ня (табл. 3), отримували за технолопею штенсивно! пластично! деформацИ' методом гвинтово! екструзи (ГЕ).

Суть ГЕ полягала в продавлюванш призматично! заготовки крiзь матрицю з гвинтовим каналом. Кут в нахилу гвинтово! лiнi! до оа екструзи змiнювався по висоп матрищ, причому на !! початковiй i кiнцевiй дшян-ках вiн дорiвнював нулю (рис. 1).

Особливостi геометри каналу матрицi забезпечува-ли збереження при продавлюваннi iдентичностi почат-ково! та к1нцево! форм i розмiрiв оброблювано! заготовки, що дозволило здшснювати Г! багаторазову екструзш з метою накопичення великих величин деформаци [6].

1нтенсивну пластичну деформацш (а + в) - сплашв проводили при температурах на 100...150 °С нижче вiд температури (а о в)- перетворення, що дозволяло виключити перегрiв i протiкaння рекристалiзацiйних процеав, пов'язаних з укрупненном структурних скла-дових. При бiльш низьких температурах (350...450 °С) в процесi гвинтово! екструзи заготовки зруйнувалися, що обумовлено, мабуть, недостатньою технологiчною пла-стичшстю сплаву.

заготовка пiсля

Рис. 1. Схема деформування заготовки в процес 1ПД методом ГЕ

Технологiчнi параметри 1ПД методом ГЕ титанових заготовок представлен в табл. 1.

Зовтшнш вигляд заготовок до та тсля процесу гвинтово! екструзи наведено на рисунку 2, мжроструктуру сплаив пiсля ГЕ наведено на рисунках 3 i 4.

З метою встановлення можливосп зниження вмiсту коштовних легувальних елементiв i забезпечення меха-нiчних властивостей на рiвнi вимог до сплаву стандартного складу в жaромiцних титанових сплавах типу ВТ8, що мають субмiкрокристaлiчну структуру, проводили дослiдження впливу вaрiaцiй хiмiчного складу на влас-тивосп сплaвiв, додатково змiцнених при 1ПД.

© Т. О. Коваленко, В. Ю. Ольшанецький, О. А. Джуган, 2014

ISSN 1607-6885 Hoei Mamepia.nu i технологи в металурги та машинобудувант №1, 2014

41

Таблиця 1 - Технолопчш параметри процесу гвинтово! екструзй титанових заготовок

Сплави Розмiри заготовки, мм Температураиагрiва ння заготовки,°С Тиск пресування, МПа Протидтачий тиск, МПа Кут нахилу каналу матриц в, град.

Типу ВТ8 25х40х65 770 2390 130 45

Як базовий обраний сплав марки ВТ8, що широко застосовуеться для виготовлення робочих лопаток ком -пресора, стяжних болгiв, важелiв i кронштейшв. Зазна-ченi дегалi, як правило, мають розмiри, приблизно схож1 або меншi за розмiри заготовок, отриманих методом ГЕ, що дозволяе розглядати !х як перспекгивнi деталi для апробацп розробок за результатами проведених досль джень.

Для реалiзацil поставлених завдань з дослщження впливу вмюту легувальнихих елементiв на структуру i властивостi субмiкрокристалiчних титанових сплавiв проводили серш активних експериментiв за допомо-гою методу математичного лiнiйного планування. Для проведения активних експериментiв необхщно було провести серш дослвдних плавок з рiзним хiмiчним складом, а також реалiзувати гвинтову екструзш виплавле-них сплавiв.

Для скорочення кiлькостi дослвдних плавок викорис-товували метод планування експерименту, що дозволяе описати кшьюсну змiиу впливу основних легуваль-них елемеигiв сплаву (А1, Мо, 2г) на рiвень мехаиiчних властивостей.

Планування ортогонального експерименту проводили для трьох незалежних змшних на двох рiвиях варь ювання дослiджуваиоl системи легування. Меж1 рiвнiв варiювания i крок варшвання вибраш на пiдставi анал-iзу структури, механiчних властивостей, а також аналь зу умов експлуатацп високонавантажених деталей титанових сплашв.

На тдсташ вищенаведених даних у робот був реаль зований ортогональний план експерименпв 23 (табл. 2).

Як незалежш змiннi виступали: вмiст алюмiнiю, молiбдену i цирконiю. Спiльний вплив цих елеменпв враховували в регресiйних рiвняннях.

а б

Рис. 2. Зовшшнш вигляд заготовки:

а - до процесу гвинтово! екструзй; б - тсля процесу гвинтово! екструзй

Матриця планування експерименту дозволила от-римати квадратичну математичну модель при переходi до натурального масштабу (див про це дал^. Матриця планування експерименту в кодованому масштабi показана в табл. 3.

в

Рис. 3. Змша мжроструктури сплаву тсля гвинтово'! екструзй (поперечний перер1з), х 500:

а - 1 прохщ; б - 4 проходи; в - 7 проход1в

в

Рис. 4. Змша мжроструктури сплаву тсля гвинтово! екструзй (поздовжшй перер1з): а - 2 проходи; б - 5 проходи; в - 7 проход1в

Таблиця 2 - Кодування факгорiв ортогонального центрального плану експериментiв 23

1нтервал варшвання рiвень факторiв * (А1, %) Х2 (Мо, %) Хз (Zr, %)

XSn= 1,5 % = const, XSl= „,22 % = const

Верхнш рiвень (+) 5,8 4,3 1,5„

Нульовий ршень („) 4,9 2,9 „,75

Нижнш ршень (-) 4,„ 1,5 „

1нтервал вартавання, Д „,9 1,4 „,75

Таблиця 3 - Оргогональний центральний план експерименпв 23

№ Х1 Х2 Х3 Х1* Х2 Х3 Х2* Х3

(Al, %) (Мо, %) (Zr, %) (А1*Мо, %) (A1*Zr, %) (Мо*Zr, %)

1 - - - + + +

2 + - - - - +

3 - + - - + -

4 + + - + - -

5 - - + + - -

6 + - + - + -

7 - + + - - +

8 + + + + + +

Як функцп вiдгуку прийнят! границя мiцностi (сте)

та вщносне видовження (5). Результата мехатчних вип-робувань (середнi значення) представленi в табл. 4.

За даними випробувань механiчних властивостей розраховували коефiцieнти лiнiйних регресп, як1 у кодовому масштабi дозволили отримати наведенi нижче залежностi механiчних властивостей вщ процентного вмiсгу елеменпв, варшованих у заданих границях (див. табл. 2).

При цьому самi коефiцieнти b f визначали за фор-

мулами:

n

Z у

y=b„> „ n

Z у, * x2i

Ь2

Z yi * -

bi

Z yi *

Ьз

Таблиця 4 - Мехатчт властивосп титанових сплавiв

Кшъюсть дослвдв (Nl) Функця ввдгуку -механiчнi властивостi сплавiв

Шсля 1ПД (СМК структура)

сте, Мпа 5,%

1 1„27 18

2 11„„ 15

3 1148 16

4 1318 7

5 1„52 19

6 119„ 14

7 119„ 14

8 122„ 7

Дал, за загальною формулою (1) визначили коефщ-ieнти множинно! кореляци R [7] без урахування i з ура -хуванням трьох можливих парних взаeмодiй для плас-

тичносп (5 ) та границ мiцностi( сте):

R-

n- b2 + b2 + b2 + ... + b2

12 3 j

Z y, - n * y2 i

; , = 1,8 , j = 1,6.

(1)

Перевiрка коефщента множинно! кореляци R за до-

помогою коефiцieнта лшшно! кореляцi! ryeyp (ye -

експериментальш значення пластичностi та гранищ мщносп, yр - розрахунковi значення) без урахування парних ефекпв та з урахуванням найкращих парних ефекпв за формулою:

Z ye* ypi- n* ye* yp

Уе_

yp

i

n 2 2 n 2 2 (Z yef-n*y2)*(Z yp, -n*yp)

(2)

зпдно з полiномом

y V =b„ +b1 * X1 +b2 * X2 +b3 * X3 + bju *(xjxu )i Fi i i i

j * u

(3)

дала так! ж результата

ISSN 1607-6885 Hoei Mamepianu i технологи в металургп та машинобудуеант №1, 2014

43

n

n

ся цими рiвняннями для корегування процентних кшько-стей зазначених вище хiмiчних елеменпв, а саме: алю-мшш, молiбдену та цирконш. Ця обставина дала мож-ливiсть знайти найкращий хiмiчний склад дослiдного сплаву з урахуванням усiх вимог, як1 ставлять технологи та конструктори до сплавiв типу ВТ8 при гх застосу-ваннi в умовах виробництва деталей для авiацiйних га-зотурбiнних двигутв.

Корисно акцентувати, що дослвдження впливу вмiсту легувальних елементiв на структуру i механiчнi властивостi субмiкрокристалiчних сплавiв системи Ti-Al-Mo-Zr-Si-Sn (типу ВТ8) зроблено вперше.

Список лтератури

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

2. Валиев Р. З. Объемные наноструктурные металлические материалы: получение, структура и свойства / Р. З. Валиев, И. В. Александров. - М. : ИКЦ «Академкнига». 2007. - 398 с.

3. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотех-нологии / Гусев А.И. - М. : ФИЗМАТЛИТ, 2005. - 416 с.

4. Новые схемы накопления больших пластических деформаций с использованием гидроэкструзии / [Я. Е. Бей-гельзимер, В. Н. Варюхин, С. Г. Сынков и др.] // Физика и техника высоких давлений. - 1999. - № 3 (Т. 9). -С. 109-111.

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

6. Коваленко Т. А. Формирование стабильной субмикрокристаллической структуры в титане / Т. А. Коваленко,

A. В. Овчинников // МиТОМ. - 2010. - № 2. - С. 35-43.

7. Ольшанецкий В. Е. О физических подходах к математическому моделированию функциональных связей /

B. Е. Ольшанецкий // Нов1 матер1али i технологи в мета-лургй та машинобудуванш. - 2003. - № 1. - С. 80-86.

Одержано 29.09.2014

Коваленко Т. А., Ольшанецкий В.Е., Джуган А. А. Исследование влияния вариаций химического состава на структуру и свойства легированных титановых сплавов после винтовой экструзии

Разработана технологическая схема и определены основные режимы процесса деформации, обеспечивающие формирование субмикрокристаллической структуры в опытных сплавах. Исследовано влияние содержания легирующих элементов на структуру и механические свойства титановых сплавов, подвергающихся интенсивной пластической деформации, а также получены соответствующие аналитические зависимости для корректировки химического состава.

Ключевые слова: структура, механические свойства, легирующие элементы, интенсивная пластическая деформация, титан, опытные сплавы, аналитические уравнения.

Kovalenko T., Olshanetskiy V., Dzhugan O. Study of the influence of the variations in chemical composition on the structure and properties of doped titanium alloys after twist extrusion

The technological scheme and the main modes of the deformation process, providing formation of SMC structure ofexperimental alloys were developed. The influence of the content of alloying elements on the structure and mechanical properties of doped titanium alloys subjected to intensive plastic deformation was studied, as well as the relevant analytical dependence for the correction of the chemical composition was obtained.

Key words: structure, mechanical properties, alloying elements, severe plastic deformation, titanium, experimental alloy, analytical equations.

Далi визначили похибки середньоквадратичних зна-чень (дь ) за формулою:

К)

= i1

2(Ду )2

n *

(1 + k )

де к - шльшсть факторiв впливу.

Нижче наведеш рiвняння залежносп пластичносп та границ мщносп ввд вмюту легувальних елеменпв з урахуванням впливу найбшьш значущих парних ефекпв у натуральному масштаба

5, % = 24,5712 -1,0316 %Al +1,9248 %Mo -

- 0,3333%Zr - 0,7937 %Al%Mo

при

R = 0,9913 ; (ДЬ) = ±0,2795 ;

ств, МПа = 692,9882 + 57,0833 %Al + 60,5357 %Mo +

+ 68,8689 %Zr - 20,3571 %Mo %Zr

при

R = 0,9517; (ДЬ) = ±17,3444.

Таким чином, на шдстаи ди трьох факторiв впливу отримаш рiвняння в натуральному масштабi з урахуванням належних парних взаемодш. Крiм цього, було знайдено середньоквадратичну похибку коефщеипв цих рiвнянь, яка тдгверджуе рототабельшсть дисперси дослщв. Отже, отримана нами гшерплощина цшьово! функцп достатньо точно характеризуе вплив концент-рацшних факло^в, що дозволяе ефективно скористати-