CC BY
52
УДК 539.374; 621.983
С.С. Яковлев, д-р техн. наук, проф.,
(4872) 35-14-82, [email protected],
В.Д. Кухарь, д-р техн. наук, проф., проректор, (4872) 35-14-82, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)
ТЕКСТУРА И СТРУКТУРА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ГЕКСАГОНАЛЬНЫХ ПЛОТНОУПАКОВАННЫХ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ
Рассмотрены некоторые возможности получения более однородных сварных заготовок из гексагональных плотноупакованных титановых сплавов путем создания близкой текстуры и структуры в зонах сварного шва и основного металла.
Ключевые слова: сварное соединение, текстура, параметры, обратная полюсная фигура, вытяжка, лист.
В последнее время в качестве конструкционных материалов широко используются сплавы на основе титана. Часто при изготовлении крупногабаритных изделий методом штамповки используют сварные заготовки, однако важно, чтобы свойства их были однородны. Способность титановых сплавов к глубокой вытяжке в значительной мере определяется характером их кристаллографической текстуры. Наличие благоприятной текстуры в готовом изделии улучшает его свойства [1-4].
Исходным материалом для исследования служили холоднокатаные листы сплава ПТ-3Вкт толщиной 4,0 мм, которые сваривали электродуго-вым способом так, чтобы шов совпадал с направлением прокатки (НП) в них. При исследованных условиях сварки химический состав сварного шва и основного металла практически совпадал. Ширина шва составляла ~10 мм, а в околошовной зоне заметных структурных изменений не наблюдалось. Холодную прокатку заготовок для исследования проводили при комнатной температуре на стане с валками диаметром 0,46 м. Текстуру изучали на дифрактометре ДРОН-0,5 в медном отфильтрованном излучении с помощью прямых полюсных фигур {0002}, полученных съемкой «на отражение» и обратных полюсных фигур для направления нормали (НН) к поверхности листа. Структурное состояние образцов исследовали металлографическим и рентгеноструктурным методами. Наличие у0-фазы в сплаве ПТ-3Вкт после изученных обработок не было обнаружено.
Исследования показали, что текстура листов в исходном состоянии неоднородна по сечению листа (рис. 1). В поверхностном слое она представлена ориентировками (0001)±20° НН-НП [1010], (0001)±50° НН-ПН [1010] и слабой (0001) [1010], где ПН - поперечное направление в листе относительно направления прокатки. В среднем же слое текстура иная и описывается ориентировкой (0001)±30° НН-ПН [1010], рассеяние которой
таково, что на полюсной фигуре {0002} имеется кольцо повышенной интенсивности в углах 25...350, свидетельствующее о наличии значительной доли кристаллитов, оси <0001> которых составляют указанные углы с НН. В зоне шва текстура многокомпонентна и слабо выражена, особенно в среднем слое (рис. 2).
нп
а б
Рис. 1. Полюсные фигуры {0002} для поверхностного (а) и среднего (б) слоев листов ПТ-3Вкт в исходном состоянии
Некоторое различие текстуры по толщине шва обусловлено разными условиями кристаллизации металла в поверхностном и среднем слоях.
Металлографические исследования показали значительные различия и в структуре исследованных зон сварного соединения (рис. 3, а, б).
Так, если в зоне шва наблюдается структура литого металла с четко выраженным внутризеренным пластинчатым строением а-фазы, то в основном металле обнаружена структура, характерная для деформированного состояния.
Рис. 2. Обратные полюсные фигуры для поверхностного (а) и среднего (б) слоев шва сварных соединений сплава ПТ-3Вкт в исходном состоянии
В процессе прокатки исходных листов в них формируется однокомпонентная текстура (0001)±ф НН-ПН [1010]. При этом наклон базисных плоскостей к поверхности листа достаточно мал (ф = 20 - 30°), а неоднородность текстуры по сечению листа практически исчезает, начиная с деформации в 20 %. Заметим, что такой характер текстуры обеспечивает удовлетворительную штампуемость листов а-сплавов титана и высокую конструкционную прочность полученных из них изделий [1]. Деформация металла шва приводит к дроблению зерен, и его структура при этом приближается к деформированной, о чем, в частности, свидетельствуют появление четких деформационных линий и исчезновение отдельных рефлексов на соответствующих рентгенограммах.
а б
Рис. 3. Микроструктура зон сварного шва (а) и основного металла (б) сварных соединений сплава ПТ-3Вкт в исходном состоянии (х300)
Рентгеноструктурным и металлографическим методами было проведено исследование влияния параметров отжига деформированных со степенью деформации є = 20 % сварных заготовок на текстуру и структуру шва и основного металла. Было обнаружено, что при отжиге рекри-сталлизационные процессы более активно развиваются в зоне сварного шва. Это объясняется особенностями текстуры, формирующейся в шве и основном металле после деформации, и связано в частности с наличием в деформированной матрице металла шва областей с ориентацией (0001) [1010], которые являются потенциальными центрами образования зародышей рекристаллизации [1]. Более активное развитие этих зародышей может быть обусловлено благоприятной разориентировкой их относительно деформированной матрицы. Было показано, что часовой отжиг при температуре 650 ° С, не меняя типа текстуры, способствует получению более однородных по структуре сварных заготовок, так как при этом процессы
рекристаллизации развиваются как в зоне сварного шва, так и в основном металле.
Учитывая вышесказанное, в работе опробовали следующие режимы обработки сварных соединений, которые могли обеспечить получение однородных заготовок для штамповки.
1. Прокатка в направлении сварного шва (продольная прокатка) со степенью деформации е = 20 %.
2. Поперечная по отношению к шву прокатка со степенью деформации е = 20 %.
3. Продольная прокатка с е = 10 % + поперечная прокатка со степенью деформации е = 10 %.
После прокатки заготовки подвергали часовому отжигу при температуре 650 °С.
Результаты исследований текстуры показали (таблица), что во всех указанных случаях в зоне шва и в основном металле формируются близкие кристаллографические ориентировки (в частности, на рис. 4 приведены данные для случая продольной прокатки). Это обусловлено тем, что в основном металле в силу особенностей его текстуры в исходном состоянии (см.рис. 1), характер текстуры при деформации практически не меняется, тогда как в области шва происходит интенсивное формирование преимущественных ориентировок.
Фракции базисной компоненты с разным углом рассеяния
Вариант обработки Исследованная зона сварных соединений Фракции базисной компоненты
с углом рассеяния 45°, % с углом рассеяния 31,5°, %
1 Шов 80,8 56,0
Основной металл 83,1 64,1
2 Шов 72,1 49,3
Основной металл 90,7 76,2
3 Шов 79,1 49,6
Основной металл 87,8 65,1
При использовании сварных заготовок для штамповки в соответствии с результатами работы [1] следует отдать предпочтение тем заготовкам, в которых больше доля кристаллитов с ориентациями, близкими к
базисной (угол наклона базисных плоскостей не превышает 30°). Исследования показали, что в заготовках, полученных с применением продольной прокатки, наблюдается достаточно большая доля кристаллитов с углом наклона базисных плоскостей до 30° как в зоне шва, так и в околошовной зоне.
’(1010)
Рис. 4. Обратные полюсные фигуры для шва (а) и основного металла (б) сварных соединений сплава ПТ-3Вкт после продольной прокатки с г = 20 % и часового отжига при температуре 650 °С
При этом различие фракций кристаллитов указанных ориентаций в основном металле и шве невелико (см. таблицу). Кроме того, в этом случае наблюдается и более высокая однородность текстуры по толщине листа. При других вариантах прокатки неоднородность текстуры по толщине листов, а также различия в текстуре шва и основного металла существенно выше. При всех использованных вариантах холодной прокатки сварных заготовок основная доля кристаллитов (70...90 %) имеет углы наклона базисных плоскостей, не превышающие 45° (см. таблицу).
Следует отметить, что использованный режим обработки сварных соединений по варианту 1 приводит к достаточно однородной структуре исследованных зон.
Выводы. Таким образом, холодная деформация и термическая обработка сварных соединений а-сплавов титана являются достаточно эффективным способом изменения их текстуры и структуры. При этом в случае
продольной прокатки с s = 20 % и часового рекристаллизационного отжига при температуре 650 °С, достигается наибольшая однородность текстуры и структуры в сварных заготовках, что может быть использовано на практике.
Научно-исследовательская работа выполнена в ТулГУ и на ЗАО «ЗЭМ РКК «Энергия» им. С.П. Королева».
Работа выполнена по ведомственной целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)», грантам РФФИ и по государственному контракту в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.
Список литературы
1. Поликарпов Е.Ю. Взаимосвязь характеристик разрушения полуфабриката в процессе многооперационной вытяжки со структурой и текстурой титанового сплава ПТ-3Вкт // Известия ТулГУ. Технические науки. 2007. Вып. 2. С. 21 - 25.
2. Адамеску Р.А., Гельд П.В., Митюшков Е.А. Анизотропия физических свойств металлов. М.: Металлургия, 1985. 136 с.
3. Яковлев С.П., Яковлев С.С., Андрейченко В.А. Обработка давлением анизотропных материалов. Кишинев: Квант. 1997. 331 с.
4. Яковлев С.П., Кухарь В.Д. Штамповка анизотропных заготовок. М.: Машиностроение, 1986. 136 с.
S.S. Yakovlev, V.D. Kuhar
THE TEXTURE AND THE STRUCTURE OF HEXAGONAL DENSE-PACKED TITANIUM ALLOYS WELDED CONNECTIONS
Some performance capabilities of welded details of greater homogeneous from hexagonal dense-packed titanium alloys by the method of weld zone texture and structure akin to parent metal are described.
Key words: welded connection, texture, parameters, reverse pole figure, drawing,
sheet.
Получено 16.12.10
