Главная
Новости
Строительство
Ремонт
Дизайн и интерьер
Строительная теплофизика
Прочность сплавов
Основания и фундаменты
Осадочные породы
Прочность дорог
Минералогия глин
Краны башенные
Справочник токаря
Цементный бетон




13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017





Яндекс.Метрика
         » » Высокотемпературная термомеханическая обработка полуфабрикатов из титановых сплавов

Высокотемпературная термомеханическая обработка полуфабрикатов из титановых сплавов

06.07.2017

Впервые целесообразность применения высокотемпературной термомеханической обработки для титановых сплавов показали А.С. Шигарев и А.П. Гуляев. В дальнейшем закономерности изменения механических свойств при BTMO в зависимости от ее параметров (температуры и степени деформации, режимов старения и пр.) были изучены в работах.
BTMO применяют для получения повышенной прочности титановых сплавов в сочетании с хорошей пластичностью и для повышения пластичности в высокопрочном состоянии.
Как отмечалось выше, при BTMO титановых сплавов проводят горячую деформацию, закалку с деформационного нагрева и старение. Закалка с деформационного нагрева проводится не только в целях получения к концу горячей деформации нерекристаллизованной структуры и предотвращения ее рекристаллизации в процессе охлаждения, но и для достижения необходимого перед старением пересыщения твердого раствора. Выполнение этих условий обеспечивается правильным выбором параметров ВТМО: температуры и степени горячей деформации, а также скорости последующего охлаждения. Результаты BTMO определяются также правильным выбором режима старения.
BTMO а+в-титановых сплавов

Влияние температуры и степени деформации. Первая работа по BTMO титановых сплавов была проведена на а+в-сплавах (ВТ3-1, 0Т4 и ОТ4-1). В отожженном состоянии количество в-фазы в сплавах ОТ4 и ОТ4-1 существенно меньше, чем в сплаве ВТ3-1 (2—4 и 17% соответственно).
Деформацию заготовок из сплава ВТ3-1 осуществляли осадкой на прессе при 850 и 900° С (а+в-область), а из сплавов ОТ4 и ОТ4-1 при 1000° C (в-область). Образцы этих сплавов после деформации закаливали в воде и частично (сплав ВТ3-1) подвергали старению в течение 2 ч при 500° С. Увеличение степени деформации с 0 до 90% при температурах 850 (рис. 172, а) и 900° С приводит к повышению ов сплава ВТ3-1 после закалки с деформационного нагрева со 120 до 150 и со 105 до 130 кгс/мм2 соответственно, при этом пластичность возрастает только до степени деформации 60% — в первом случае и до 35% — во втором, а далее весьма резко снижается. Последующее старение сплава ВТЗ-1 вызывает дополнительное повышение прочности (ов, о0,2); максимальный эффект старения после деформации при 850° С наблюдается при 40%-ной осадке (рис.172,б). TMO с деформацией при 900° С по сравнению с обычной термообработкой не имеет преимуществ в отношении прочности, однако пластичность состаренных образцов после предварительной деформации при обеих температурах возрастает с увеличением степени деформации.

У сплавов ОТ4 и ОТ4-1, закаленных после деформации (0—80%) при 1000°С (в-область), с увеличением степени осадки (соответственно до 55%-ного обжатия и непрерывно) значительно повышается пластичность и одновременно снижается прочность.
В работе было исследовано влияние режимов BTMO при осадке (температуры и степени деформации, температуры старения) и некоторых технологических факторов (скорости деформации, продолжительности перерыва между закалкой и деформацией) на структуру и свойства а+в-титановых сплавов (ВТ3-1, ВТ8, ВТ14) в сопоставлении со свойствами этих сплавов после идентичной деформации, охлаждения на воздухе и дополнительной стандартной или упрочняющей термообработок. Исходные заготовки сплавов ВТ3-1 и ВТ14 имели не полностью рекристаллизованную в-превращенную, а сплав ВТ8 — смешанную (мелкопластинчатую и глобулярную) а+в-структуры.
Деформацию (до 50—65%) при BTMO так же, как перед стандартной термообработкой, осуществляли на молоте при минимально возможных температурах а+в-области, близких к температуре рекристаллизации, в верхнем интервале а+в-области при температурах, равных или близких к температурам закалки по стандартным режимам, и в в-области при температурах на 40—50° С выше полного фазового превращения: для сплава ВТ3-1 — при 780, 850 и 1000° C, для сплава ВТ8 — при 800, 850, 920 и 1020° С и для сплава ВТ14 — при 700, 850, 910 и 970° С. Минимально возможное время перерыва между деформацией и закалкой составляло не более 2 с. Процесс старения проводили по стандартным режимам: при температурах 550, 590 и 480° С и выдержках 5,2 и 12 ч для сплавов ВТЗ-1, ВТ8 и ВТ14.
На рис. 173—175 представлены зависимости механических свойств исследованных сплавов от степени деформации при BTMO в разных температурных интервалах и даны свойства этих сплавов после аналогичной деформации и охлаждения на воздухе с последующей стандартной термической обработкой и без нее.
При проведении осадки в нижнем интервале температур а+в-области и закалки с этих температур с повышением степени деформации до 50—60% наблюдается умеренное (на 10—15 кгс/мм2) повышение предела прочности, несколько слабее выраженное при охлаждении на воздухе (рис. 173). Эффект старения в этом случае незначителен и фактически не зависит ни от степени деформации, ни от скорости охлаждения после нее. По сравнению со стандартной термообработкой BTMO в нижнем интервале температур а+в-области дает возможность при небольшом снижении пластичности незначительно повысить прочность (для сплава ВТ3-1 при 20—50%-ной деформации на 7—9 кгс/мм2).
При BTMO с деформацией в верхнем интервале температур а+в-области (850° С для сплава ВТ3-1, ВТ14 и при 920° С для сплава ВТ8) увеличение степени деформации до 50—65% приводит к значительному росту не только прочности, но и пластичности закаленных образцов (рис. 173—175). Так, ов в среднем увеличивается на 25 кгс/мм2, a — на 10—15%. При этом уровень механических свойств образцов, охлажденных на воздухе, практически не изменяется (ВТ3-1, ВТ8).

Старение сопровождается дополнительным значительным упрочнением и снижением пластичности. При этом у образцов, подвергавшихся ВТМО, в отличие от недеформированных это снижение (в сравнении со стандартной обработкой) невелико и абсолютный уровень пластичности достаточно высок.
Таким образом, в результате TMO со степенями деформации 40—70% у всех трех сплавов получается более выгодное сочетание свойств (ов, b, w) по сравнению со стандартной термообработкой.
После BTMO с деформацией при температурах в-области а+в-сплавы (рис. 173, в) имеют значительно более высокий уровень прочности и более низкую пластичность, чем после стандартной обработки. При этом предел прочности и эффект старения мало зависят от степени деформации. Несмотря на то, что предел прочности а+в-сплавов слабо повышается с увеличением степени в-деформации (у сплава ВТ8 даже несколько снижается), истинная прочность, w и b состаренных образцов непрерывно возрастают и при степенях деформации 60—65% характеристики пластичности достигают удовлетворительного уровня при весьма высокой прочности. Температурная зависимость механических свойств после BTMO сплавов ВТ3-1 и ВТ8 для е=60% представлена на рис. 176 (кривая 3).

Приведенные на рис. 176 данные дают возможность приближенно оценить роль деформации и термообработки в наблюдаемом при TMO упрочнении. Различие в свойствах недеформированных образцов, состаренных после закалки (кривая 2) и охлажденных на воздухе (кривая 1) показывает эффект обычной термообработки. Разница в свойствах образцов, подвергавшихся одной и той же термообработке, но предварительно деформированных и недеформированных (кривые 2, 3), позволяет примерно судить о влиянии деформации, которое проявляется в изменении структуры, полугорячем наклепе и благотворном влиянии его на эффект термообработки.
Эффект термической обработки с увеличением температуры закалки (и соответственно деформации) непрерывно возрастает и при оптимальных режимах BTMO Аов составляет 15 и 20 кгс/мм2 для сплавов ВТ3-1 и ВТ8 соответственно. Деформационная составляющая упрочнения, весьма существенная в нижнем и среднем интервалах температур двухфазной области, уменьшается до нуля с приближением к температуре превращения а+в->в. Максимальная величина упрочнения, связанного с деформацией в оптимальных условиях BTMO у сплава ВТЗ-1 (~25 кгс/мм2), а минимальная — у сплава ВТ8 (10—11 кгс/мм2). Более значительное упрочнение сплава ВТ3-1, по видимому, результат не только горячего наклепа как такового и его положительного влияния на старение, но и существенной проработки исходной в-превращенной структуры.
Пластичность при всех исследованных температурах BTМO существенно выше по сравнению с пластичностью после закалки с тех же температур без предварительной деформации. Это естественно для образцов сплавов ВТ3-1 и ВТ14 с относительно грубозернистой исходной структурой, которая измельчается в процессе деформации, и наглядно свидетельствует о благоприятном влиянии закалки с ковочного нагрева на пластичность после старения сплава ВТ8, имевшего мелкую смешанную a+в-структуру уже в исходном состоянии.
Более точная оценка эффекта BTMO (рис. 176, в) была получена при сравнении свойств образцов сплава ВТ3-1 после этой обработки со свойствами образцов, получивших равноценную деформацию, охлажденных на воздухе и подвергнутых затем не стандартной, а упрочняющей термообработке, с закалкой с температур, соответствующих температурам деформации (после одинаковых условий старения — 550° С, 5 ч).
Из рис. 176, в также очевидно преимущество BTMO сплава ВТ3-1 с деформацией ниже 900° С перед упрочняющей термообработкой как в отношении прочности, так и пластичности. Наибольшее различие по прочности после BTMO и упрочняющей термообработки наблюдается при температуре деформации 850° С (Аов ~ 17 кгс/ /мм2). При BTMO с 900° С преимущество отмечается только по характеристикам пластичности, а в в-области снова по пределу прочности, относительному удлинению и сужению.
Влияние режимов старения. Исследования влияния температуры и времени старения (t =430+640° С; т=2; 5 и 12 ч) на свойства а+в-сплавов показали, что оптимальные режимы старения при BTMO сплавов ВТ8 и ВТ14 близки к режимам стандартной обработки. Для сплава же ВТ3-1 при оптимальных степенях деформации (50—70%) при 850 и 780° С более целесообразно старение при 500° С, чем при 550° С.

Влияние продолжительности перерыва между окончанием деформации и закалкой и возможности ПTMО. Весьма существенное различие в свойствах а+в-сплавов после немедленной закалки с деформационного нагрева и старения в сравнении с охлаждением на воздухе и последующей упрочняющей обработкой свидетельствует о значительном влиянии на эффект TMO скорости охлаждения с температур деформации. В связи с тем что в производстве не всегда возможна немедленная закалка, в ряде работ было изучено влияние продолжительности перерыва между деформацией и закалкой на свойства сплавов после BTMO Из этих данных следует, что 30-с перерыв после в-деформации и 10-с после а+в деформации для сплава ВТ3-1 (рис. 177) не вызывают существенного изменения прочности и мало влияют на пластичность. Однако дальнейшее увеличение продолжительности подстуживания на воздухе до 60 с в первом случае и до 30 с — во втором приводит к разупрочнению (прочность приближается к уровню, характерному для охлаждения на воздухе) и к повышению пластичности. Исследования показали, что у сплава ВТ14 снижение прочности наблюдается с первых же секунд перерыва и особенно существенно, спустя 10 с.
С увеличением степени деформации образцов снижение прочности при перерыве свыше 10 с более значительно, чем в отсутствие деформации.
Исследование механических свойств сплава ВТ3-1, подвергнутого ВТМО, после низкотемпературного отжига при 650—750° С и последующей быстрой перезакалки со старением показало возможность сохранения их на более высоком уровне по сравнению с простой закалкой (табл. 51).

Такая обработка, получившая название ПТМО, может широко применяться для титановых полуфабрикатов, при производстве которых необходима правка после ВТМО. При этом, однако, заметно снижается пластичность, что свидетельствует о необходимости корректировки режимов окончательной термообработки.
Влияние фазового состава на эффект ВТМО титановых а+в-сплавов. Влияние фазового состава на эффект ВТМО титановых сплавов, проявляющееся уже при сопоставлении приведенных ниже результатов термомеханической обработки a (BT1-1) и а+в-сплавов (ВТ3-1), непосредственно было показано в работе.
В этой работе листовые образцы толщиной 10—12 мм двойных сплавов титана с 3 и 6,5% Mo, с хорошо проработанной структурой, подвергали обычной закалке и ВТМО прокаткой со степенью деформации ~50% при температурах 750 и 780° С. Эти температуры, по данным измерения относительной интенсивности рентгеновских линий а- (102) и в-фаз (200), отвечают максимальному содержанию в-фазы в этих сплавах Эффект упрочнения непосредственно после закалки и ВТМО, а также после старения при 300 и 400° С у сплава с 6,5% Mo в 2—2,5 раза больше, чем у сплава с 3% Mo. Принимая во внимание большее содержание в-фазы в сплаве с 6,5% Mo и одинаковую легированность в-твердых растворов в обоих сплавах (о чем свидетельствуют близкие значения параметров их решетки, после закалки с температуры 780°С а=3,2915 и 3,2910 кХ, а после TMO а=3,2928 и 3,2923 кХ соответственно), авторы пришли к выводу, что чем больше содержание нестабильной p-фазы, тем значительнее достигаемое упрочнение. Отсюда очевидно, что ВТМО наиболее целесообразна ми для упрочняющей термообработки этих сплавов.
По той же причине ВТМО при прочих равных условиях следует проводить при температурах, после закалки с которых фиксируется максимальное количество в-фазы. Практически установленные оптимальные температурные режимы ВТМО а+в-сплавов действительно отвечают этим температурам. Они же, как правило, являются и температурами нагрева под закалку, принятыми для упрочняющей термообработки этих сплавов.
Оптимальные режимы ВТМО и комплекс свойств двухфазных титановых сплавов. Изучение влияния деформации и режима старения на эффект высокотемпературной термомеханической обработки показало, что оптимальным режимом для титановых а+в-сплавов является деформация на 40—70% в верхнем интервале температур а+в-области (850—920° С) с последующей закалкой с деформационного нагрева и старением. Время перерыва между окончанием деформации и закалкой не должно превышать 10 с. Как видно из табл. 52, такая обработка сплавов ВТ3-1 и ВТ8 при старении по принятым режимам по сравнению со стандартной термообработкой обеспечивает 20—25%-ное повышение прочности (со 115 до 140—146 кгс/мм2) при сохранении высокой пластичности (b = 10—12%, w=45/50%), а обработка сплава ВТ14 приводит к заметному повышению пластичности (w с 37 до 50%) при более умеренном (- на 10%) увеличении прочности.

При деформации на прессе прочностные свойства после ВТМО по оптимальному режиму незначительно ниже, чем при деформации на молоте. При ВТМО с нагревом в в-области также возможно получение более выгодного сочетания механических свойств, чем после обычной термообработки (у сплава ВТЗ-1, например, ов = 140 кгс/ /мм2, при w = 22/30% и b = 5/7% против ов = 112 кгс/ /мм2, w = 32% и b = 10/11%, a у сплава ВТ14 примерно при одном уровне пластичности— w = 28%, b = 5,5%, ов равно 127 кгс/мм2, вместо 110 кгс/мм2).
Термическая обработка с деформацией при пониженных температурах а+в-области (700, 800 и 780° С для сплавов ВТ14,
ВТ8 и ВТ3-1 соответственно) не дает значительного превосходства в свойствах по сравнению со стандартной обработкой (вследствие недостаточно высокой для достижения необходимого насыщения твердого раствора температуры закалки).
В результате ВТМО титановых а+в-сплавов по выбранным режимам наряду с повышением прочности при комнатной температуре увеличиваются такие параметры, как сопротивление усталости и кратковременная прочность при повышенных температурах (см. табл. 52).

Преимущество в кратковременной прочности после ВТМО, как видно на рис. 178, сохраняется до 550° С (сплавы ВТ8, ВТ3-1); при 600° С пределы прочности образцов, прошедших ВТМО и обычную термообработку (с той же деформацией), одинаковые, а при 650° С после ВТМО происходит более интенсивное разупрочнение. При рабочей температуре (450° С) прочность сплава ВТ3-1, например, после BTMO на 15 кгс/мм2 выше, чем после стандартной термообработки.
Предел усталости при 20° С сплавов ВТ3-1 и ВТ8 повышается по сравнению с пределом усталости после стандартной термообработки на 10, а у сплава ВТ14 — на 5%. При 500° С после BTMO у сплава ВТ8 число циклов до разрушения при одних и тех же напряжениях (42—56 кгс/мм2) в 3—10 раз больше в том же сопоставлении.
В определенных условиях при умеренных температурах и ресурсе BTMO может оказать положительное влияние и на длительную прочность. В результате BTMO по оптимальному режиму в 1,5—3 раза повышается долговечность образцов сплава ВТ3-1 при 450—500° С и сплава ВТ8 при 350° С.
Термическая стабильность сплавов ВТЗ-1 и BT14, подвергнутых BTMO (в условиях 100-ч выдержки при 450° С), не ухудшается по сравнению со стабильностью после стандартной термообработки и несколько ниже у сплава ВТ8 в том же сопоставлении.
ВТМО в-титановых сплавов

Влияние ВТМО на структуру и свойства сплавов на основе в-фазы исследовано в работах.
На рис. 179 представлены полученные результаты механических испытаний кованых заготовок диаметром 80 мм сплава ВТ15 после ВТМО с осадкой на 5-т молоте при 850 и 1000° С.
Прочность сплава ВТ15 в результате ВТМО при 850° С непосредственно после деформации со степенями 5—80% независимо от скорости последующего охлаждения практически не изменяется, незначительно превосходя (на 3—5 кгс/мм2) прочность недеформированного материала (рис. 179, а). Предварительная горячая деформация положительно влияет на прочность на стадии старения. В состаренном состоянии ов увеличивается с повышением степени предварительной деформации от 0 до 50% на 20—30 кгс/мм2 при снижении удлинения и поперечного сужения (б до 2,5—5% и w до 5—15%).
Дальнейшее повышение степени деформации, напротив, приводит к снижению прочности и заметному повышению пластичности. В этом интервале степеней деформации уменьшение скорости охлаждения сопровождается существенным снижением прочности и пластичности. Снижение прочности и повышение пластичности в обоих случаях связаны с прохождением рекристаллизации.

При ВТМО в условиях более высокой температуры в-области (1000° C) характер изменения свойств в зависимости от степени осадки непосредственно после деформации такой же, как после ВТМО при 850° С (Аов = 3/5 кгс/мм2), т. е. в-фаза при горячей деформации почти не наклепывается (не упрочняется) (рис. 179, б).
В состаренном состоянии предел прочности с повышением степени деформации до 40—50% (в случае закалки после деформации) повышается дополнительно всего на 5—10 кгс/мм2, а далее даже несколько снижается, зато при е > 50% существенно (в 2—2,5 раза) возрастает пластичность. Характерно, что сам по себе (без пластической деформации) нагрев до 1000° С с охлаждением как в воде, так и на воздухе способствует получению высокой прочности в состаренном состоянии.
Результаты BTMO сплава BT15 с деформацией на прессе 5000 тс, аналогичны результатам BTMO после осадки на молоте: при 850° С с увеличением степени деформации значительно повышается прочность состаренных образцов (до 50—60%), а при 1000° C она практически не изменяется. Различие состоит в более слабом изменении пластичности и несколько более низком абсолютном уровне прочности при осадке на прессе.
Таким образом, BTMO сплава ВТ15 следует проводить при 850° С со степенями деформации 40—50%, а при 1000° С с е > 50%. При перезакалке после BTMO эффект термомеханической обработки сохраняется лишь частично.
М.А. Никоноров и др., изучавшие влияние степени осадки кованых заготовок на прессе при температурах в-области на механические свойства после BTMO и обычной упрочняющей обработки в-сплава ТС6 и его сварных соединений, нашли, что благодаря применению BTMO эти свойства получаются более стабильными и высокими.