Исследование структурно-фазовых превращений в псевдо-β-титановых сплавах и влияния скорости охлаждения с температуры гомогенизации на структуру и свойства сплава ВТ47

Введение

Условия образования структурных неоднородностей, в частности, выраженных в различной морфологии выделения фаз, и нежелательных фаз в процессе термомеханической обработки занимают чрезвычайно важное место в металловедении титановых сплавов различных классов и систем легирования [1]. Невозможность стабильного получения требуемого структурно-фазового состава обусловлена недостаточным объемом исследований, проведенных в данном направлении, что накладывает существенные ограничения на перспективы промышленного внедрения и применения ряда титановых сплавов.

Для каждого класса титановых сплавов характерны свои проблемные вопросы, многие из которых к настоящему времени решены. Так, постепенное совершенствование технологий производства губчатого титана, лигатур и выплавки слитков из титановых сплавов позволило существенно снизить вероятность образования в них включений и при необходимости обеспечить возможность изготовления в промышленном производстве сплавов, отвечающих более высоким требованиям по содержанию примесей внедрения – в частности, кислорода.

В настоящее время на первый план вышли проблемы однородности химического состава изготавливаемых слитков и полуфабрикатов, а также однородность их структурно-фазового состава и, как следствие, стабильность механических свойств. При этом необходимо отметить, что на однородность структуры в конечном полуфабрикате оказывают влияние не только однородность слитка, но и технологические режимы деформационной и термической обработок, тесно взаимосвязанные с особенностями структурно-фазовых превращений, происходящих в конкретных сплавах [2, 3].

Работа выполнена в рамках реализации комплексной научной проблемы 9.2. «Материалы на основе титана с регламентированной β-структурой» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [4, 5].

Результаты и обсуждение

Рассматривая проблемы металловедения и термической обработки псевдо-β-титановых сплавов с метастабильной β-фазой необходимо отметить в качестве наиболее важных следующие вопросы:

– сложность получения при выплавке однородных по химическому составу слитков, обусловленная высоким содержанием в их составе легирующих элементов – в частности, тугоплавких [6];

– склонность к образованию структурных неоднородностей в виде «β-флеков» и зон, свободных от выделений [7, 8].

Склонность титановых сплавов, в зависимости от систем легирования, к образованию того или иного типа структурных неоднородностей различна, что обусловлено особенностями протекания структурно-фазовых превращений. Так, для уменьшения количества и выраженности структурных неоднородностей, а также снижения их негативного влияния на механические и эксплуатационные свойства псевдо-β-титановых сплавов проводятся исследования, направленные на усовершенствование технологии изготовления и термической обработки полуфабрикатов [9]. При этом немаловажным вопросом являются воспроизводимость и стабильность получаемых результатов, что во многом связано с зависимостью структуры и механических свойств от технологических параметров термической обработки и, соответственно, диапазоном допустимой вариативности технологических параметров. Одним из ключевых параметров, оказывающих существенное влияние на объемную долю фаз и морфологию структурных составляющих титановых сплавов, является скорость охлаждения с температуры гомогенизации.

Метастабильные псевдо-β-титановые сплавы традиционно считаются нечувствительными (либо малочувствительными) к скорости охлаждения с температур закалки/гомогенизации из-за высокой степени легирования β-стабилизирующими легирующими элементами, а также повышенной стабильности β-фазы к последующему распаду. Так называемое свойство «самозакаливаемости» и связанная с ним увеличенная глубина прокаливаемости существенно повышают технологичность обработки полуфабрикатов из псевдо-β-сплавов в производстве, обеспечивая возможность проведения полного цикла упрочняющей термической обработки полуфабрикатов и деталей в вакуумных или аргоно-вакуумных печах без поводок и коробления за счет снижения скорости охлаждения. Большая глубина прокаливаемости позволяет обеспечивать однородное структурно-фазовое состояние по всему сечению крупногабаритных деформированных полуфабрикатов (толщина ˃150 мм) при закалке в воде или на воздухе, что обеспечивает получение высокой прочности.

Псевдо-β-титановые сплавы – большой класс материалов и в зависимости от типа классификации (например, согласно зарубежной классификации для «metastable β» – [Mo]_экв=10–30% [10]) для них характерны достаточно широкий диапазон легирования β-стабилизирующими элементами и, соответственно, существенные отличия в особенностях процессов протекания структурно-фазовых превращений при охлаждении.

С связи с этим в данной статье преимущественно рассмотрены сплавы, в наибольшей степени схожие друг с другом по общей степени легирования и структурно-фазовым превращениям. В качестве основного критерия принимается способность сплава закаливаться при охлаждении из однофазной β-области на β/(β+ω)-фазы без формирования мартенсита. Молибденовый эквивалент для псевдо-β-титановых сплавов, отвечающих данному требованию и способных к упрочнению путем термической обработки, соответствует 14,0–26,5%. (Здесь и далее [Mo]_экв рассчитан по формуле, % (по массе): [Mo]_экв=1,0 Mo+0,67 V+0,44 W+0,28 Nb+0,22 Ta+ +2,9 Fe+1,6 Cr+1,25 Ni+1,7 Mn+1,7 Co.)

Рассматривая вопрос структурообразования псевдо-β-титановых сплавов в зависимости от скорости охлаждения с температуры однофазной β-области в первую очередь необходимо учитывать критическую скорость «самозакаливания», т. е. минимальную скорость охлаждения, обеспечивающую фиксацию полностью метастабильного структурно-фазового состояния (β-фазы). Охлаждение с более медленной скоростью приводит к началу процессов зарождения частиц вторичной α-фазы в структуре сплава. В общем виде значение критической скорости уменьшается с увеличением степени стабилизации β-фазы в результате легирования сплава β-стабилизирующими легирующими элементами.

Необходимо отметить, что особенности легирования сплавов выбранного диапазона легирования, в том числе концентрация алюминия, нейтральных стабилизаторов и взаимное соотношение различных β-стабилизирующих элементов, могут оказывать существенное влияние на структурно-фазовый состав и свойства при различной скорости охлаждения, что обусловлено различной скоростью и интенсивностью распада метастабильных фаз. Например, показано, что легирование сплавов β-эвтектоидными стабилизаторами с высокой диффузионной подвижностью в титане (железо и хром) приводит к существенному ускорению фазовых превращений при изотермических выдержках. Причем замена молибдена и железа на эквивалентное количество хрома в сплавах системы Ti–Al–Fe–Mo (Timet LCB) существенно замедляет кинетику фазовых превращений в процессе изотермических выдержек, а также увеличивает длительность «инкубационных» периодов выделения вторичной α-фазы и значение твердости [11].

Японскими исследователями проведены работы, направленные на установление взаимосвязи скорости охлаждения с уровнем механических свойств сплава состава Ti–13Cr–1Fe–3Al ([Mo]_экв=23,7%). В интервале скоростей охлаждения от «в воде» до «с печью», т. е. 0,08 К/с (4,8 К/мин), согласно результатам оптической микроскопии и рентгеноструктурного фазового анализа в сплаве сохраняется однофазная β-структура. При скорости охлаждения 0,02 К/с (1,2 К/мин) в структуре сплава отмечено незначительное количество вторичной α-фазы преимущественно зернограничной топологии. Исследования механических свойств при растяжении показали, что скорость охлаждения в исследованном интервале значений не оказывает существенного влияния на прочностные характеристики в закаленном состоянии, однако пластичность сплава (относительное удлинение, и в особенности сужение) заметно уменьшается при появлении в структуре вторичной α-фазы (при скорости охлаждения 0,02 К/с) [12].

Диаграммы фазовых превращений, характерные для рассматриваемых в данной статье сплавов, можно условно разделить на две основные группы, в которых:

1 – распад метастабильной β-фазы проходит через стадию расслоения на β- и βʹ-фазы по механизму β_мет→β+βʹ→β+βʹ+α→α+β (рис. 1);

2 – распад метастабильной β-фазы проходит через стадии выделения ω-фазы (как атермической, так и изотермической) по механизму β(β+ω_ат)→β+ω_изо→β+ω_изо+α→β+α.

Рис. 1. Диаграмма фазовых превращений псевдо-β-титанового сплава состава Ti–13V–11Cr–4Al [13]

Распад метастабильной β-фазы на β- и βʹ-фазы может происходить не только в процессе изотермической выдержки при определенных температурах, но и при охлаждении с температур β-области. Причем, как показано проведенными ранее исследованиями, для менее легированных псевдо-β-титановых сплавов типа ВТ35 (для экспериментальной плавки – [Mo]_экв=13,8%) расслоение β-фазы может протекать с большой скоростью. Выделения βʹ-фазы удается избежать лишь при закалке из высокотемпературной β-области (900 °С) [14]. По-видимому, смесь фаз β+βʹ после закалки для данного сплава с β-структурой характеризуется близкими характеристиками механических и технологических свойств.

В американском сплаве Beta-C ([Mo]_экв=19,0%) расслоение β-фазы происходит в процессе изотермических выдержек в широком интервале температур (350–500 °С), причем при температуре 500 °С для формирования βʹ-фазы достаточно выдержки 0,5 ч (рис. 2) [15]. Кластеры βʹ-фазы при температуре 500 °С имеют эллипсоидную, «дисковую» форму. Время существования βʹ-фазы в процессе изотермической выдержки невелико и уже после 2 ч в структуре сплава наблюдаются выделения частиц вторичной α-фазы. Необходимо отметить, что плотность выделений α-фазы при высокой температуре выдержки более низкая по сравнению с плотностью распределения «прекурсоров» (кластеров βʹ-фазы).

Рис. 2. Тонкая структура американского сплава Beta-C после изотермических выдержек 
по различным режимам [15]: а – закалка+старение при 350 °С в течение 7 дней (ПЭМ); 
б – закалка+старение при 500 °С в течение 30 мин (ПЭМ, светлопольное изображение)

Расслоение метастабильной β-фазы на β- и βʹ-фазы при температуре 350 °С зафиксировано начиная с выдержки 24 ч. Дальнейшее увеличение длительности низкотемпературной выдержки до 7 и более дней приводит к росту кластеров βʹ-фазы и выделению вторичной α-фазы сначала на границах зерен и субзерен, а затем непосредственно на частицах βʹ-фазы. В результате это приводит к получению большого количества мелкодисперсных однородно распределенных по телу зерна частиц вторичной α-фазы.

Анализ структурно-фазового состава и механических свойств сплава Beta-С (см. таблицу) показал, что расслоение метастабильного β-твердого раствора с выделением βʹ-фазы не привело к существенному изменению прочностных свойств. Однако характеристики пластичности проявили более высокую чувствительность к структурно-фазовому составу сплава. Сравнение механических свойств после закалки (полностью однофазная β-структура) и после изотермических выдержек, приводящих к получению смеси фаз β+βʹ (при 350 °С в течение 24 ч и при 500 °С в течение 0,5 ч), показало, что наличие в структуре сплава βʹ-фазы снижает значения относительного удлинения. Наибольшее его снижение (с 23 до 8,8%) характерно для температуры изотермической выдержки 500 °С, вероятно, из-за особенностей морфологии кластеров βʹ-фазы и большого их относительного количества в структуре сплава.

Дальнейшее увеличение длительности изотермических выдержек прогнозируемо приводит к исчезновению кластеров βʹ-фазы, выделению частиц вторичной α-фазы, существенному увеличению прочностных свойств и падению пластичности.

Фазовый состав и механические свойства сплава Beta-С

после изотермических выдержек по различным режимам [15]

Таким образом, медленное охлаждение сплава Beta-C с температур β-области может способствовать длительному нахождению садки в условиях, способствующих распаду метастабильной β-фазы с образованием βʹ-фазы (˃0,5 ч в интервале температур 400–500 °С), и, вероятно, снижению пластических характеристик после гомогенизации.

Современными исследованиями, проведенными на сплаве системы легирования Ti–Mo–V–Cr–Sn–Zr, также показано, что местами предпочтительного зарождения частиц вторичной α-фазы в процессе изотермической выдержки, т. е. так называемыми «прекурсорами», являются частицы βʹ-фазы. Расслоение метастабильного β-твердого раствора происходит более однородно при формировании мелкодисперсных выделений βʹ-фазы преимущественно внутризеренной топологии (рис. 3). Последующее старение, направленное на упрочнение сплава Beta-С частицами вторичной α-фазы, обеспечивает более однородный характер ее распределения и повышение характеристик сопротивления усталости [16].

Рис. 3. Тонкая структура сплава состава Ti–6Mo–6V–5Cr–3Sn–2,5Zr после старения по режиму 550 °С в течение 2 ч (просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения) [17]: а – изображение в светлом поле; б – дифракционная картина по методу быстрого преобразования Фурье

Как показал анализ научно-технической литературы и результатов сторонних исследований, химический состав сплава оказывает существенное влияние на структурно-фазовые превращения, происходящие при его охлаждении и последующих изотермических выдержках. Редкоземельные элементы (РЗЭ), объем применения которых в составе новых конструкционных материалов постепенно растет, также могут оказывать влияние на структурно-фазовые превращения и, соответственно, характер изменения механических свойств [18, 19]. Таким образом, проведение исследований в данной области для сплавов, легированных РЗЭ, является обоснованным как с научной, так и с практической точки зрения.

Заключения

Показано, что при охлаждении с температур β-области в высоколегированных псевдо-β-титановых сплавах с [Mo]_экв=14,0–26,5% могут протекать различные структурно-фазовые превращения (выделение промежуточных βʹ- и ω_ат-фаз, вторичной α-фазы).

Выделение частиц вторичной α-фазы в структуре при охлаждении из β-области со скоростью, медленнее критической скорости «самозакаливания» сплава, может не оказывать существенного влияния на прочностные свойства, но заметно снижает относительное удлинение, и в особенности сужение.

Распад метастабильной β-фазы на β+βʹ может происходить как при охлаждении, так и в процессе последующих изотермических выдержек. Кинетика процесса находится в тесной взаимосвязи с химическим составом сплава и температурно-временны́ми параметрами термической обработки.

Медленное охлаждение псевдо-β-титановых сплавов с температур β-области может способствовать длительному нахождению садки в условиях, способствующих распаду метастабильной β-фазы с образованием βʹ-фазы (˃0,5 ч в интервале температур 400–500 °С), и возможному снижению пластических характеристик после гомогенизации.