Новости

Новости

Влияние различных видов термической обработки на структуру и механические свойства полуфабрикатов из титановых сплавов


Отжиг 1-го рода

Гомогенизационный отжиг применяют для устранения вредных последствий дендритной ликвации. В отличие от алюминиевых, жаропрочных никелевых сплавов и сталей в промышленных титановых сплавах при кристаллизации не выделяются избыточные хрупкие фазы, приводящие к резкому падению пластических характеристик, поэтому промышленного применения этот вид отжига не нашел. Эксперименты по изучению влияния гомогенизации на титановых сплавах проводились с целью устранения химической неоднородности слитка, которая при дальнейшей его переработке может оказывать вредное влияние на механические свойства полуфабрикатов. Л.А. Елагина с сотр. исследовала гомогенизацию слитков диаметром 10, 200, 380, 460 и 620 мм основных промышленных а-, а+в- и в-титановых сплавов при температурах 900—1450° С в течение от 4 до 24 ч. Эксперименты показали, что наиболее эффективное влияние гомогенизация оказывает на слитки малых диаметров (10 мм) и окончательным результатом ее действия является структура, свойственная слиткам титановых сплавов больших диаметров (> 350 мм), только несколько с более грубыми выделениями пластин а-фазы. В сплаве Ti—Ni при гомогенизации слитков диаметром 10 мм происходит растворение неравновесной эвтектики.
В работе этих же авторов проверялось влияние гомогенизации на свойства полуфабрикатов, изготовленных из слитков, прошедших гомогенизацию и без нее. Результаты экспериментов на листах, штамповках лопаток, прутках показали, что гомогенизация слитков не вносит существенного изменения в характер микроструктуры и уровень свойств исследованных полуфабрикатов. Проведенные испытания термической стабильности, усталостной прочности также показали, что гомогенизация не оказывает существенного влияния и на эти характеристики.
В связи с этим был сделан вывод, что проведение гомогенизации слитков титановых сплавов, находящихся в настоящее время в промышленном производстве, при существующей технологии производства слитков нецелесообразно.
Дорекристаллизационный отжиг или возврат довольно широко используется в термообработке титановых сплавов. Возврат 1-го рода, или отдых, применяют непосредственно для снятия внутренних напряжений, образовавшихся в процессе механической обработки, листовой штамповки, гибки, сварки и других технологических операций. Возврат 2-го рода, или полигонизацию, применяют для создания благоприятной дислокационной структуры, обеспечивающей регламентированное выделение второй фазы, сопровождающееся улучшением комплекса механических свойств.

Возврат 1-го рода проводится при температурах на 150—250° С ниже температур, при которых проходит рекристаллизация. Влияние возврата 2-го рода на улучшение свойств высоколегированных сплавов в состаренном состоянии было показано в ряде работ.
При проведении отжига-возврата 2-го рода в зернах с высокой плотностью дислокаций происходят перераспределение дислокаций, их частичная аннигиляция и в результате создается особая дислокационная субзеренная структура (рис. 143). Как показывают наблюдения, существуют несколько видов полигональной структуры, различающихся формой и размером субзерен и углом разориентировки. Между формой, размером субзерна, углом разориентировки и механическими свойствами существует четкая зависимость, условно представленная на рис. 144 и 145. Исследования сплава ВТ15 показали, что при старении полигонизованного материала распад в-фазы происходит равномерно, границы субзерен как бы служат границами новых зерен и это, безусловно, приводит к уменьшению разброса предела прочности и к повышению характеристик пластичности. На рис. 146 представлены механические свойства образцов штамповок сплава ВТ22 с различной дислокационной структурой. Из рис. 146 видно, что штамповки, обладающие оптимальной дислокационной структурой, имеют наилучшее сочетание прочности и относительного сужения (область А).
Влияние различных видов термической обработки на структуру и механические свойства полуфабрикатов из титановых сплавов

Положительное влияние полигонизационных процессов четко проявляется на холоднодеформированном материале, когда плотность дислокаций особенно высока. Так, проведение полигонизациоиного отжига при 700° С в течение 30 мин после холодной деформации позволяет значительно повысить пластические характеристики сплава ВТ30. Данные, приведенные ниже, иллюстрируют влияние полигонизационного отжига на механические свойства сплава ВТ30.

Таким образом, полигонизация высокопрочных титановых сплавов оказывает существенное влияние на характер выделения фаз при старении и способствует повышению пластических характеристик сплавов. Однако следует иметь в виду, что не всякая полигонизованная структура эффективна и поэтому следует стремиться к получению полигональной структуры с оптимальными параметрами — размером и формой субзерен и углом их разориентировки. Подробнее эти вопросы будут рассмотрены в следующей главе.
Рекристаллизационный отжиг. При нагреве наклепанного металла при определенных сочетаниях температуры и продолжительности происходят процессы, приводящие к разупрочнению металла. На рис. 147 приведены три наиболее типичных случая изменения прочности при отжиге.

В первом случае (рис. 147, кривая 1) разупрочнение происходит в основном на стадии рекристаллизационных процессов, когда наблюдаются видимые микроструктурные изменения в металле; во втором случае (рис. 147, кривая 2) разупрочнение начинается и полностью проходит (рис. 147, кривая 3) уже на стадии возврата.
Титан не является исключением, и температура начала его рекристаллизации согласуется с температурой плавления в соответствии с известным соотношением, установленным А.А. Бочваром. При легировании титана температура рекристаллизации резко повышается T.Н. Сазонова и М.Н. Ермолова показали, что для а-, а+в- и в-сплавов температура рекристаллизации составляет 0,5—0,7; 0,85—0,98 и 0,6 от температуры превращения соответственно.

Для большинства титановых сплавов построены диаграммы рекристаллизации. Рассмотрение диаграмм позволяет заметить, что в титане, как и в других металлах, наблюдается критическая степень деформации, соответствующая 2—10%, при которой происходит аномальный рост зерна. По современным представлениям рост зерна при критических степенях деформации происходит не за счет первичной рекристаллизации с образованием новых высокоугловых границ и новых центров первичной рекристаллизации, а за счет неоднородности деформации в соседних зернах, которая приводит к миграции границ на расстояния, соизмеримые с размером зерен. Например, критическая степень деформации для сплава BT1 составляет 2—4%, для сплава ВТ5-1 8—10%. В титановых ставах рекристаллизация происходит в основном в а+в-области, и этот процесс не сопровождается бурным ростом зерен, который начинается, как правило, выше температуры а+в—>в-перехода. Несмотря на то, что интенсивный рост зерен происходит в в-области, снятие холодного наклепа и полное разупрочнение на этих сплавах в основном заканчиваются уже в а+в-области. На рис. 148 приведены кривые разупрочнения сплавов ОТ4-1 и ВТ6Св после холодного волочения образцов с различными степенями деформации. Разупрочнение как сплава ОТ4-1, так и сплава ВТ6Св независимо от степени деформации происходит при температурах 650—700° С и дальнейшее повышение температуры отжига практически не меняет уровня механических свойств. Если разупрочнение холоднодеформированных титановых сплавов проходит достаточно интенсивно и равномерно по всему объему и завершается уже при 600—700° С, то рекристаллизация после горячей деформации, как правило, связана с большой неоднородностью состояния металла в различных объемах и приводит к разнозернистости и полосчатости структуры, Получение нерекристаллизованного состояния металла очень важно при последующем старении для получения наиболее однородного распада в-фазы. На рис. 143 приведены микроструктуры после старения полностью рекристаллизованного, частично рекристаллизованного и нерекристаллизованного сплава. По приведенному уровню свойств следует признать, что нерекристаллизованное и еще лучше оптимальное полигонизованное состояния являются наиболее предпочтительными.
Отжиг 2-го рода

Проводить полный отжиг 2 го рода с нагревом до в-области из-за значительного роста зерна и огрубления внутризеренной структуры считалось нерациональным. В.А. Ливанов, А.А. Буханова и Б.А. Колачев впервые показали возможность измельчения структуры при фазовой перекристаллизации. Однако вследствие малой величины фазового наклепа при а+в—>в-превращении эффекты, полученные в этой работе, были невелики, чтобы говорить о практическом применении такого процесса. В работах Л.Н. Нельзина и Л.С. Мороза многократная фазовая перекристаллизация и перекристаллизация металла, наклепанного в a+в-области, показали возможности резкого измельчения литого зерна в титановых сплавах.

В последние годы фазовая перекристаллизация с получением оптимальных параметров a-фазы широко применяется в процессах в-деформации и в-отжига. Несомненный интерес могут вызвать полученные в последнее время результаты экспериментов по циклической термообработке (ЦTO) сплавов в литом состоянии. Так, проведение ЦТО сплава ВТ6ч показало, что при незначительном изменении предела прочности относительное удлинение увеличивается в 1,5 раза, а относительное сужение возрастает с 11,5 до 24,5% (рис. 149). Проведение циклической термообработки не только значительно изменяет микроструктуру литого сплава ВТ6ч, но и улучшает некоторые характеристики работоспособности литых сплавов. Неполный отжиг является в настоящее время основным видом термической обработки титановых сплавов. В процессе отжига происходит стабилизация фазового состава сплавов.
Ниже приведены режимы отжига, принятые для основных отечественных промышленных сплавов.

Проведение ступенчатого отжига титановых сплавов требует специального рассмотрения, поскольку эффект егo проведения будет в значительной мере зависеть от температуры второй ступени. На рис. 150 показано, что снижение температуры второго отжига сплава ВТ22 с 750 до 600° С приводит к повышению предела прочности с 115 до 125 кгс/мм2. Это явление можно объяснить выделением при 600° С более мелкодисперсной a-фазы, образующейся при распаде метастабильной в-фазы, которая фиксируется в высоколегированных титановых сплавах при охлаждении на воздухе.

Возможность подзакалки некоторых титановых сплавов при охлаждении на воздухе и последующее старение широко используются за рубежом для сплавов типа 6Аl—6V—2Sn; 6Аl—2Sn—4Zr—2Mo для достижения уровня прочности порядка 105—120 кгс/мм2.
Это же явление происходит и при двойном отжиге полуфабрикатов небольшого сечения для сплава ВТ3-1. При охлаждении на воздухе с 870—920° С происходит фиксация метастабильных фаз, которые при температуре второго отжига распадаются, и при выдержке при 550° С может происходить упрочнение сплава. В зарубежной литературе такая обработка получила название «мягкое упрочнение».