CC BY
60
УДК 669.295.615.46
П.В. Панин1, Д.А. Дзунович1, Е.Б. Алексеев1
ФАЗОВЫЙ СОСТАВ И СТРУКТУРА ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ6,
ДОПОЛНИТЕЛЬНО ЛЕГИРОВАННОГО ВОДОРОДОМ, ПОСЛЕ
ВАКУУМНОГО ОТЖИГА*
DOI: 10.18577/2307-6046-2016-0-2-5-5
Проведены исследования фазового состава и структуры образцов титанового сплава ВТ6 (Ti-6,25Al-4,1V, % по массе), дополнительно легированных водородом до различной концентрации, после низкотемпературного вакуумного отжига. Показано, что если процесс наводороживания сплава ВТ6 заканчивается в [в-области, а кинетические условия охлаждения до комнатной температуры позволяют зафиксировать однофазное [в-состояние, то при последующем низкотемпературном вакуумном отжиге формируется (а+в)-структура с наноразмерными частицами а-фазы.
Ключевые слова: титановый сплав ВТ6, водородное легирование, термоводородная обработка, вакуумный отжиг, фазовый состав, структура.
Phase composition and structure analyses have been carried out on hydrogenated samples of VT6 (Ti - 6,25Al - 4,1V, wt.%) titanium alloy after low-temperature vacuum annealing. It has been shown that nanoscale а-phase particles can precipitate in (а+e)-structure upon low-temperature vacuum annealing if preceding hydrogenation process was ended in в-area and as a result a single в-phase structure was kinetically achieved at room temperature.
Keywords: titanium alloy VT6, hydrogen doping, thermo-hydrogen treatment, vacuum annealing, phase composition, structure.
Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Государственный научный центр Российской Федерации [Federal state unitary enterprise «All-Russian scientific research institute of aviation materials» State research center of the Russian Federation] E-mail: [email protected]
Введение
Разработка, апробация и внедрение материалов нового поколения в условиях высокотехнологичных производств непосредственно сопряжены с инновационными технологиями их получения и обработки. С учетом государственных приоритетов в области создания и поддержки высокотехнологичных производств в авиационно-космической индустрии в ВИАМ разработаны «Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» [1, 2], где важное место отводится материалам на основе легких металлов, в частности - титановым сплавам
[3 - 6].
Одной из инновационных технологий изготовления титановых сплавов является водородная обработка [7], основанная на использовании водорода в качестве постоянного или временного легирующего элемента. По результатам исследований в данной области построены температурно-концентрационные и температурно-скоростные диаграммы для большой группы титановых сплавов [7-9]. Показаны широкие возможности
* Экспериментальные результаты получены на оборудовании Ресурсного центра коллективного пользования «Авиационно-космические материалы и технологии» ФГБОУ ВПО «МАТИ - Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского» (МАИ).
преобразования структуры сплавов разных классов [10-15], что позволило существенно повысить прочностные и усталостные свойства фасонных отливок, увеличить термическую стабильность жаропрочных сплавов, повысить прочность термически не-упрочняемых титановых сплавов, снизить температуры или усилия деформирования при обработке давлением и получении деформированных полуфабрикатов [16-18]. В основе водородной обработки лежит уникальный технологический метод - термоводородная обработка (ТВО). Ключевыми стадиями ТВО являются процессы введения водорода (наводороживания) термодиффузионным способом и удаления водорода (дегазации) с помощью вакуумного отжига, который играет важную роль, так как в большей степени определяет конечный комплекс свойств обрабатываемого полуфабриката или изделия.
В данной работе изучено влияние низкотемпературного вакуумного отжига на фазовый состав и структуру образцов из сплава ВТ6, наводороженных по различным режимам.
Материалы и методы
Исходные слитки сплава ВТ6 состава Т1 -6,25А1 -4,1У (ГОСТ 19807-91) для проведения исследований получали методом тройного вакуумно-дугового переплава по технологии, аналогичной описанной в работе [19]. Исследования проводили на образцах, вырезанных из горячекатаной плиты толщиной 12 мм. Предварительно плиту отжигали в вакууме при температуре Р-области (980°С) в течение 2 ч. Остаточная концентрация водорода после вакуумного отжига, измеренная спектральным методом, не превышала 0,006% (по массе). Насыщение образцов водородом проводили в лабораторной установке Сивертса до концентрации 0,2-1% (по массе), с шагом 0,2% в интервале температур 650-900°С. Охлаждение до комнатной температуры осуществляли со скоростью 1 К/с. Отжиг наводороженных образцов проводили при температуре 625°С в течение 7 ч в вакуумной камерной электропечи сопротивления с экранной теплоизоляцией «Вега-ЗМ». Фазовый состав и структуру образцов изучали при комнатной температуре с помощью оптической (ОМ) и просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), а также рентгеноструктурного анализа (РСА).
Результаты
Практически все схемы ТВО титановых сплавов [7] включают отжиг в вакууме как заключительную операцию с целью снижения количества введенного водорода в изделии или полуфабрикате до безопасной концентрации, при которой гарантированно не развивается водородная хрупкость при последующей эксплуатации.
В процессе вакуумного отжига диффузия водорода ускоряется, а градиент диффузионного потока направлен к поверхности образца. Парциальное давление водорода в вакуумной системе меньше его равновесного давления в образце, в результате чего в системе происходит выравнивающая диффузия, приводящая к дегазации. Удаление водорода протекает значительно быстрее, чем диффузионное перераспределение атомов основных легирующих элементов сплава, что оказывает влияние на фазовые превращения, которые, согласно работе [7], можно выделить в отдельный вид - фазовые превращения, протекающие при непрерывном изменении концентрации легирующего компонента (водорода).
Вакуумный отжиг титановых сплавов условно можно разделить на высокотемпературный и низкотемпературный. Высокотемпературный вакуумный отжиг (750-900°С) обычно применяют для снижения содержания водорода до безопасной концентрации, при этом не преследуется цель путем изменения параметров отжига повлиять на фазовые превращения, протекающие в сплаве при дегазации. Низкотемпературный отжиг
(600-700°С), напротив, применяется для контролируемого управления фазовым составом и структурой. Так, при низкотемпературном вакуумном отжиге реализуется возможность измельчения структуры, так как в процессе отжига вследствие низкой диффузионной подвижности основных легирующих элементов при Р^-а-превращении процессы зарождения новых частиц а-фазы преобладают над процессами их роста.
Как показали ранее проведенные исследования [20], спектр структур титанового сплава ВТ6 после наводороживающего отжига расширяется с увеличением концентрации введенного водорода:
- (а+Р)^-(а'(а")+Р)^Р - после наводороживания в Р-области;
- (а+Р)^(а+а2+Р)^-(а+а2+Р+8)^-(а+а2+8) - после наводороживания в (а+Р)-области.
Анализ указанных последовательностей позволяет выявить два основных структурных фактора, которые могли бы оказывать влияние на морфологию структуры после вакуумного отжига. К этим факторам можно отнести наличие или отсутствие в структуре после наводороживающего отжига Р-фазы и а'(а")-мартенсита, а также количественное соотношение а1- (первичная) и Р-фаз.
Вакуумный отжиг проводили при температуре 625°С в течение 7 ч, с охлаждением в печи. Измеренная спектральным методом концентрация водорода во всех образцах после вакуумного отжига не превышала 0,007% (по массе).
а)
Рис. 1. Дифрактограммы отожженных в вакууме образцов из сплава ВТ6 после наводороживания в Р-области (а) и (а+Р)-области (б)
Согласно данным РСА образцы, наводороженные в Р-области, после вакуумного отжига имели двухфазную (ар+рр)-структуру равновесного состава (рис. 1, а). Однако размер структурных составляющих а-фазы значительно изменяется в зависимости от структурного состояния после наводороживания. Так, если в структуре наводороженного сплава преобладал мартенсит (температура наводороживающего отжига 900°С, концен-
трация водорода 0,6% (по массе)), то образующаяся в процессе дегазации адег-фаза наследует его морфологию, что приводит к сохранению исходного пластинчатого типа структуры а-фазы (рис. 2, а), однако размер пластин меньше по сравнению с исходной «псевдолитой» структурой после высокотемпературного отжига при температуре 980°С.
а) б)
Рис. 2. Микроструктура образцов из сплава ВТ6 после наводороживающего при 900 (а - до 0,6% (по массе) Н) и 800°С (б - до 0,4% (по массе) Н) и вакуумного отжига при 625°С (ОМ)
Рис. 3. Структура образца из сплава ВТ6, дополнительно легированного 0,8% (по массе) H при 850 (а) и 800°С (б), после вакуумного отжига при 625°С (ПЭМ)
Если же после наводороживающего отжига в структуре удается зафиксировать практически однофазное Р-состояние (возможно содержание до 5% (объемн.) мартенсита), то вакуумный отжиг приводит к формированию равновесной мелкодисперсной (ар+рр)-структуры (рис. 3, а). Количественный анализ морфологии получаемой в этом случае структуры показывает, что пластины равновесной адег-фазы имеют длину 500-700 нм и толщину не более 100 нм. Это позволяет сделать вывод о формировании наноструктуры.
Наличие в структуре после наводороживания первичной а^фазы, обогащенной алюминием до состава а2, оказывает влияние на структурообразование при вакуумном отжиге. Структура таких образцов после дегазации представлена а- и Р-фазами неравновесного состава; в микрообъемах а-фазы сохраняется дальний порядок упорядочения, о чем свидетельствуют сверхструктурные рефлексы на дифрактограммах (см. рис. 1, б).
Исследования показали, что если в структуре после наводороживающего отжига присутствует менее 30% (объемн.) а^фазы, то процессы зарождения частиц адег-фазы преобладают над процессами их роста и в результате формируется бимодальная структура, содержащая частицы первичной частично упорядоченной а(а2)-фазы размером 1-3 мкм и обедненную алюминием вторичную наноразмерную адег-фазу, которая выделяется из ß-фазы при дегазации (рис. 3, б). Если же в структуре наводороженного сплава содержится более 30% (объемн.) а^фазы, то даже при низкотемпературной дегазации преобладают процессы роста ее частиц, а вторичной адег-фазы образуется значительно меньше (см. рис. 2, б).
Обсуждение и заключения
Установлено, что если в процессе наводороживания a^-ß-превращение протекает до конца и последующее охлаждение до комнатной температуры позволяет зафиксировать однофазную ß-структуру, то при последующем низкотемпературном (600-650°С) вакуумном отжиге формируется (a+ß)-HaHOCTpyKTypa, содержащая пластины a-фазы длиной 500-700 нм и толщиной не более 100 нм.
Установлено, что если после наводороживающего отжига в структуре сплава ВТ6 содержится не более 30% (объемн.) первичной a-фазы, то вакуумный отжиг при температуре 625°С позволяет сформировать бимодальную структуру, содержащую (кроме равновесного количества ß-фазы) обогащенную алюминием и частично упорядоченную первичную а(а2)-фазу и обедненную алюминием наноразмерную вторичную a-фазу, выделяющуюся из ß-фазы в процессе дегазации.
Авторы выражают благодарность одному из основоположников водородной технологии титановых сплавов в России академику РАН A.A. Ильину и сотрудникам его научной школы д.т.н., проф. C.B. Скворцовой и д.т.н., проф. A.M. Мамонову за помощь в получении и интерпретации экспериментальных результатов, обсуждение и критические замечания.
ЛИТЕРАТУРА
1. Каблов E.H. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» // Авиационные материалы и технологии. 2015. №1 (34). С. 3-33.
2. Каблов E.H. Шестой технологический уклад // Наука и жизнь. 2010. №4. С. 2-7.
3. Каблов E.H. Материалы и химические технологии для авиационной техники // Вестник Российской академии наук. 2012. Т. 82. №6. С. 520 - 530.
4. Ночовная H.A. Перспективы и проблемы применения титановых сплавов / В сб. Авиационные материалы и технологии. Вып. «Перспективы развития и применения титановых сплавов для самолетов, ракет, двигателей и судов»: c6. докладов юбилейного совещания, посвященного 55-летию титановой лаборатории ВИАМ. М.: ВИАМ. 2007. С. 4-8.
5. Хорев А.И. Фундаментальные и прикладные работы по конструкционным титановым сплавам и перспективные направления их развития // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2013. №2. Ст. 04. URL:http://www.viam-works.ru (дата обращения: 14.07.2015).
6. Ночовная H.A., Панин П.В., Алексеев Е.Б., Боков К.А. Экономнолегированные титановые сплавы для слоистых металлополимерных композиционных материалов // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2014. №11. Ст. 02. URL:http://www.viam-works.ru (дата обращения: 14.07.2015). DOI: 10.18577/2307-6046-2014-0-11-2-2.
7. Ильин A.A., Колачев Б.А., Носов В.К, Мамонов A.M. Водородная технология титановых сплавов. М.: Издательский дом МИСиС, 2002. 392 с.
8. Панин П.В., Дзунович Д.А., Алексеев Е.Б. Способы описания фазового состава титановых сплавов, дополнительно легированных водородом (обзор) // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2015. №3. Ст. 03. URL:http://www.viam-works.ru (дата обращения: 14.07.2015). DOI: 10.18577/2307-6046-2015-0-3-3-3.
9. Панин П.В., Ширяев A.A., Дзунович Д.А. Построение темиературно-концентрационной диаграммы фазового состава титанового сплава ВТ6, дополнительно легированного водородом // Технология машиностроения. 2014. №3. С. 5 - 9.
10. Ильин A.A., Скворцова C.B., Мамонов A.M., Коллеров М.Ю. Фазовые и структурные превращения в титановых сплавах разных классов под действием водорода // Титан. 2007. №1. С. 32 - 37.
11. Скворцова C.B., Панин П.В., Ночовная H.A., Грушин И.А., Митропольская Н.Г. Влияние водорода на фазовые и структурные превращения в титановом сплаве ВТ6 // Технология легких сплавов. 2011. №4. С. 35 - 40.
12. Скворцова C.B., Панин П.В., Дзунович ДА., Засыпкин В.В., Герман М.А. Создание композитной структуры в титановом сплаве Ti-6A1 с помощью термоводородной обработки / В сб. тезисов докладов VII Международного аэрокосм. конгресса (IAC'12). M.: МГУ им. М.В. Ломоносова, 2012. С. 197 -198.
13. Панин П.В., Дзунович ДА., Засыпкин В.В. Создание двухфазной композитной структуры в альфа-сплаве Ti - 6Al с помощью термоводородной обработки // Научные труды (Вестник MATH). 2012. №19 (91). С. 33 - 37.
14. Панин П.В., Лукина Е.А., Дзунович ДА., Герман М.А. Преобразование структуры титанового сплава Ti-6Al с помощью термоводородной обработки / В сб. материалов Всероссийской науч.-технич. конф. «Новые материалы и технологии - 2012». М.: MATH, 2012. С. 83-84.
15. Панин П.В., Грушин H.A., Митропольская Н.Г. Исследование закономерностей изменения структурно-фазового состояния титанового сплава ВТ6 при дополнительном легировании водородом // Научные труды (Вестник MATH). 2013. №20 (92). С. 31 - 34.
16. Ильин A.A., Скворцова C.B., Панин П.В., Шалин A.B. Влияние термоводородной обработки и пластической деформации на структурообразование в титановых сплавах разных классов // Авиационная промышленность. 2009. №4. С. 31 - 36.
17. Овчинников A.B., Носов В.К., Афонин В.Е., Панин П.В. Основные закономерности деформации сплавов титан-водород // Технология легких сплавов. 2007. №3. С. 96-99.
18. Панин П.В., Дзунович ДА., Лукина Е.А. Управление структурой и свойствами титановых сплавов при обратимом легировании водородом и пластической деформации / В сб. материалов XIX науч.-технич. конф. молодых ученых и специалистов РКК «Энергия». Сер. XII. 2012. Вып. 1 -2. С. 103 -107.
19. Каблов Д.Е., Панин П.В., Ширяев A.A., Ночовная H.A. Опыт использования вакуумно-дуговой печи ALD VAR L200 для выплавки слитков жаропрочных сплавов на основе алю-минидов титана // Авиационные материалы и технологии. 2014. №2. С. 27-33.
20. Панин П.В. Закономерности формирования фазового состава и структуры в титановых сплавах при термоводородной обработке и пластической деформации: автореф. дис. ... канд. техн. наук. М., 2009. 24 с.
