Влияние содержания железа на механические свойства поковок из жаропрочного титанового сплава ВТ41
Проведено исследование структуры и механических свойств поковок из жаропрочного псевдо-α-титанового сплава ВТ41 с различным содержанием железа. Установлено, что увеличение содержания железа приводит к повышению прочностных характеристик материала в интервале рабочих температур при некотором снижении характеристик пластичности и ударной вязкости. Повышение содержания железа сопровождается повышением чувствительности к концентратору напряжений при различных видах испытаний.
Введение
Продолжено исследование влияния содержания железа на свойства сплава ВТ41, проведенное на материале катаных прутков, результаты которого изложены в статье [1]. В предлагаемой работе рассмотрено влияние содержания железа в пределах от 0,052–0,061 до 0,11–0,121% (по массе) на механические свойства поковок из сплава ВТ41.
Материалы и методы
Исследования проводили на поковках Ø(200–335)×(35–45) мм (рис. 1). Поковки изготавливали из слитков ковкой при температурах β-области, всесторонней ковкой мерных заготовок при температурах (α+β)-области и окончательной осадкой со степенью деформации 60–75% в изотермических условиях при температурах (α+β)-области, для сплава с повышенным содержанием железа – штамповкой на прессе с несколькими промежуточными подогревами (толщина сечения штамповки 30–42 мм) со степенью деформаци 35–40% при каждой осадке. После деформации поковки отжигали по режиму двойного отжига [2, 3], для плавки с повышенным содержанием железа температура второй ступени отжига была увеличена на 30°С. Химический состав слитков сплава ВТ41 соответствует требованиям ОСТ 1 90013 «Сплавы титановые. Марки».
Рисунок 1. Внешний вид поковки из сплава ВТ41
Уровень легирования сплава ВТ41, выраженный в структурных эквивалентах по алюминию и молибдену [4], а также содержание элементов внедрения приведены в табл. 1.
Таблица 1
Уровень легирования сплава ВТ41 в структурных эквивалентах по алюминию
и молибдену и содержание элементов внедрения
Условный номер плавки | Содержание Fe, % (по массе) | Тп.п, °С | [Al]экв | [Mo] экв | Содержание легирующих элементов, % (по массе) | ||
% | Si | С | О | ||||
1 | 0,052–0,061 | 1025±5 | 8,87 | 1,98 | 0,32–0,35 | 0,025 | 0,1 |
2 | 0,11–0,121 | 1015±5 | 8,78 | 2,19 | 0,29–0,33 | 0,01 | 0,08 |
Анализ микроструктуры материала проводили по ПИ1.2.785–2009. Определение механических свойств осуществляли по стандартным методикам (ГОСТ 1497, ГОСТ 9454, ГОСТ 9651, ГОСТ 10145, ГОСТ 25.502).
Результаты
Макроструктура поковок обеих плавок матового фона с зернами 4–5 балла по 10-балльной шкале макроструктур титановых сплавов. Микроструктура материала в хордовом сечении поковок после термической обработки приведена на рис. 2.
Рисунок 2. Микроструктура (оптическая микроскопия) поковок из сплава ВТ41 с содержанием железа 0,052–0,061 (а) и 0,11–0,121% (по массе) (б)
В обоих случаях микроструктура материала глобулярно-пластинчатая, объемная доля первичной α-фазы в поковке с минимальным содержанием железа составила 26,3–31,2%, с максимальным содержанием железа: 18,2–25,4%. Как и в случае с прутками [5], дисперсность пластин вторичной α-фазы при повышении содержания железа значительно возрастает. Механические свойства поковок приведены в табл. 2–4.
Таблица 2
Механические свойства поковок из сплава ВТ41 при комнатной температуре
Условный номер плавки | Содержание Fe, % (по массе) | σв | σ0,2 | δ | Ψ | KCU | KCT |
МПа | % | Дж/см2 | |||||
1 | 0,052–0,061 | 1055–1115 | 935–975 | 7,9–12,8 | 11,6–22,0 | 18–23 | 2,5–4,1 |
2 | 0,11–0,121 | 1085–1165 | 985–1060 | 8,9–12,2 | 12,3–20,4 | 24–31* | 7,8–10,2* |
* Штамповка диска.
Таблица 3
Механические свойства поковок из сплава ВТ41 при высоких температурах
Условный номер плавки | Содержание Fe, % (по массе) |  |  |  |  |  |
МПа | ||||||
1 | 0,052–0,061 | 705–785 | 655–725 | 460–480 | 295 | 98–117 |
2 | 0,11–0,121 | 810–840 | 735–780 | 475–510 | 315–335 | 117–127* |
* Штамповка диска.
Таблица 4
Малоцикловая усталость поковок из сплава ВТ41
Условный номер плавки | Содержание Fe, % (по массе) | МЦУ: σmax, МПа (при N=104 циклов; R=-0,1; f=1 Гц) | |
гладких образцов | образцов с надрезом (r=0,25 мм) | ||
1 | 0,052–0,061 | 1040 | 440 |
2 | 0,11–0,121 | 1065* | 460* |
* Штамповка диска.
Обсуждение и заключения
По результатам исследования показано, что снижение содержания железа с 0,11 до 0,061% (по массе) в поковках из сплава ВТ41 в отожженном состоянии приводит к изменению параметров глобулярно-пластинчатой микроструктуры (укрупнению пластинок превращенной α-фазы) и снижению прочностных характеристик материала. В данном случае также имеет место «модифицирующее» воздействие этого элемента на дисперсность превращенной α-фазы [5–8]. Полученные результаты аналогичны результатам исследования прутков из сплава ВТ41 [1]. Однако для материала поковок с более крупным β-зерном (по сравнению с прутками), увеличение содержания железа на характеристики пластичности и чувствительности к надрезу влияния практически не оказывает. Более высокие характеристики ударной вязкости можно объяснить большей объемной долей вторичной α-фазы в структуре материала поковок с высоким содержанием железа, а также снижением температуры полного растворения силицидов для данной плавки [9]. По данным табл. 3 видно, что с повышением прочности при увеличении содержания железа возрастает жаропрочность материала поковок из сплава ВТ41 (различием в содержании кремния в 0,02–0,04%, а также других легирующих элементов можно пренебречь).
Обобщая результаты данного исследования с работами [1, 10–12] следует отметить, что изменение характеристик жаропрочности в сплаве ВТ41 в зависимости от содержания железа происходит аналогично изменениям, наблюдаемым в псевдо-α- и (α+β)-сплавах Ti1100, Ti6242S и Ti6246, но только при определенных текстурном и структурно-фазовом состояниях. Для поковок с относительно крупнозернистой структурой увеличение содержания железа в исследованном интервале не приводит к снижению жаропрочности материала. Вероятно, это обусловлено большей степенью легирования β-фазы в сплаве ВТ41 (нейтральными упрочнителями и изоморфными β-стабилизаторами). Необходимо также отметить, что модифицирующее воздействие железа на структуру литого и деформированного материала подтвердилось в процессе исследования новой композиции псевдо-α-сплава [13], выполненного в соответствии со стратегическими направлениями развития авиационных материалов [14]. Использование небольших добавок железа как элемента, модифицирующего структуру и повышающего прочностные характеристики псевдо-α-титановых сплавов определенных композиций, не требует каких-либо изменений в существующей технологии и значительно снижает стоимость производства полуфабрикатов по сравнению с другими способами повышения прочности и служебных характеристик металлических материалов (например, термомеханической обработкой, микролегированием РЗМ и т. д.) [15–19].
- Кашапов О.С., Павлова Т.В., Истракова А.Р., Калашников В.С. Влияние содержания железа на механические свойства прутков из жаропрочного титанового сплава ВТ41 //Труды ВИАМ. 2015. №3. Ст. 02 (viam-works.ru).
- Кашапов О.С., Павлова Т.В., Ночовная Н.А. Влияние режимов термической обработки на структуру и свойства жаропрочного титанового сплава для лопаток КВД //Авиационные материалы и технологии. 2010. №2. С. 8–14.
- Кашапов О.С., Павлова Т.В. Исследование влияния параметров структуры полуфабрикатов из сплава ВТ41 на механические свойства //Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2015. №2. С. 136–143.
- Ilyin A., Kolachev B., Volodin V., Ryndenkov D. About the purposefulness of comprasion of titanium alloys in terms of aluminium and Molybdenium equivalents /In: Titanium–99. Science and technology. 1999. P. 53–60.
- Способ термической обработки высокопрочных (α+β)-титановых сплавов: пат. 2465366 Рос. Федерация; опубл. 15.09.2011.
- Способ термомеханической обработки изделий из титановых сплавов: пат. 2457273 Рос. Федерация; опубл. 05.04.2011.
- Хорев А.И. Теоретические и практические основы повышения конструкционной прочности современных титановых сплавов //Технология легких сплавов. 2007. №2. С. 144–153.
- Хорев А.И. Разработка конструкционных титановых сплавов для изготовления деталей и узлов авиакосмической техники //Сварочное производство. 2009. №3. С. 13–23.
- Кашапов О.С. Кинетика изменения микроструктуры прутковой лопаточной заготовки из сплава ВТ41 в зависимости от температурно-временных параметров термической обработки //Перспективные материалы. 2008. №5. С. 137–140.
- Titanium-base alloy: pat. 87 30 5197 EP; pabl. 01.06.1988.
- Russo P.A., Yu K.O. Effect of Ni, Fe, and primary alpha on the creep of alpha-beta processed and annealed Ti–6Al–2Sn–4Zr–2Mo–0,09Si /In: Titanium–99. Science and technology. 1999. P. 596–603.
- Russo P.A., Yu K.O. Effect of Ni, Fe, and Si on the creep of Ti–6Al–2Sn–4Zr–6Mo /In: Titanium–99. Science and technology. 1999. P. 713–720.
- Кашапов О.С., Павлова Т.В., Истракова А.Р., Калашников В.С. Повышение прочностных характеристик жаропрочных псевдо-α-титановых сплавов //Авиационные материалы и технологии. 2014. №S5. C. 73–80.
- Каблов Е.Н. 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.
- Каблов Е.Н. Шестой технологический уклад //Наука и жизнь. 2010. №4. С. 2–7.
- Каблов Е.Н., Оспенникова О.Г., Вершков А.В. Редкие металлы и редкоземельные элементы – материалы современных и будущих высоких технологий //Труды ВИАМ. 2013. №2. Ст. 01 (viam-works.ru).
- Каблов Е.Н. Материалы для изделия «Буран» – инновационные решения формирования шестого технологического уклада //Авиационные материалы и технологии. 2013. №S1. С. 3–9.
- Павлова Т.В., Кашапов О.С., Ночовная Н.А., Беляев М.С. Современные титановые сплавы и технологии, применяемые для деталей и узлов ГТД /В сб. тезисов докладов науч.-технич. конгресса по двигателестроению «Двигатели–2012». М.: АССАД. 2012. С. 347–349.
- Хорев А.И., Белов С.П., Глазунов С.Г. Металловедение титана и его сплавов. М.: Металлургия. 1992. 352 с.