Исследование структуры и свойств сплава ВТ3-1 применительно к технологии получения штамповок дисков и лопаток

Введение

Изотермическая деформация – это процесс обработки давлением заготовки в штампе, который нагрет до температуры деформации. В отличие от сверхпластичности, при изотермической деформации отсутствуют регламентированный скоростной диапазон деформации и требования к структуре материала заготовки. Методом изотермической деформации возможно изготавливать точные штамповки большой сложности с широкими полотнами, высокими и тонкими ребрами, к которым предъявляются повышенные требования к структуре и механическим свойствам [1]. Изотермическая штамповка применяется для изготовления лопаток на различных стадиях, которые включают в себя предварительное перераспределение металла исходной цилиндрической заготовки, штамповку и правку-калибровку [2].

В настоящее время изотермическая штамповка титановых сплавов широко распространена на отечественных и зарубежных предприятиях [3]. Титановые сплавы обладают требуемыми механическими и эксплуатационными свойствами для применения в авиапромышленности [4]. Для изготовления штамповок из титановых сплавов применяются крупные литые штампы из никелевых сплавов типа ЖС6У [5, 6]. При деформации заготовок из титанового сплава в изотермических условиях изменение скорости деформации не оказывает существенного влияния на напряженно-деформированное состояние процесса штамповки [7].

Штамповка титановых сплавов методом изотермической деформации способствует равномерному протеканию процесса деформации по всему объему заготовки. Кроме того, благодаря такому методу обработки давлением возможно контролировать степень наклепа и формировать регламентированную структуру зерна на стадии первичной рекристаллизации [8].

Прохождение рекристаллизации с получением контролируемого размера зерна в сплаве обеспечивается путем обработки давлением в изотермических условиях по оптимальным режимам деформации. Структура с минимальным размером β-зерна (5–15 мкм) формируется в (α+β)-области при динамической рекристаллизации в процессе изотермической штамповки [8].

Исследования показали, что формирование подобной рекристаллизационной структуры, которая обеспечит контролируемый рост зерен, позволит получать штампованные полуфабрикаты с повышенными характеристиками вязкости разрушения [8].

Титановый сплав ВТ3-1 является одним из самых распространенных сплавов в авиационной промышленности России, поэтому его изучение представляет особый интерес. Сплав ВТ3-1 по ГОСТ 19807–91 имеет следующий химический состав, % (по массе):

Механические свойства сплава ВТ3-1 с различной структурой следующие:

Статистика показала, что предел прочности штамповок из сплавов ВТ3-1 и ВТ6 может зависеть только от химического состава приблизительно в 25–65 % случаев. В то время как зависимость только от типа и подтипа структуры составляет ~20 %. При одновременном учете влияния состава и структуры различие может достигать 50–65 %. В случае определения пластичности и ударной вязкости это значение гораздо меньше – порядка 20–35 % [9].

Исследования поковок из сплава ВТ3-1, которые имеют равноосную и переходную структуру, показали, что регрессионные зависимости для оценки среднего уровня механических свойств зависят от химического состава и структуры с вероятностью 0,95 [9].

Изучение химического состава в поковках из сплава ВТ3-1 показало, что β-фаза становится более прочной, но менее пластичной из-за увеличения содержания хрома по сравнению с β-фазой, стабилизированной Мо. Увеличение содержание молибдена препятствует образованию химического соединения TiCr₂, которое охрупчивает сплав [10].

Увеличение содержания Cr и Мо способствует увеличению количества β-фазы, что оказывает влияние на прочностные характеристики сплава [10]. Выяснено, что при достижении предельных значений (допустимых ГОСТ) процентного содержания Cr и Mo следует осуществлять термообработку по схеме двойного отжига. Это уменьшит количество β-фазы, что способствует восстановлению пластичности [10].

При осуществлении изотермической штамповки с припуском 0,2 мм и менее на сторону при заключительных операциях, требующих более точной оснастки (П-переход и правка), наблюдается большой износ штампов. Это происходит под влиянием высокой температуры и значительных усилий штамповки [11]. Снижение температуры установки и усилий штамповки при приложении циклической нагрузки позволит уменьшить износ штамповки и увеличить съем штамповок.

В НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ рассмотрен процесс штамповки с минимальным припуском заготовок лопаток из титановых сплавов. Кроме того, изучены возможности повышения стойкости ковочного инструмента для изотермической штамповки лопаток газотурбинных двигателей. Для оптимизации режимов обработки давлением методом изотермической штамповки и повышения стойкости инструмента предварительно получена мелкозернистая структура заготовки под изотермическую штамповку. В результате изучения процесса изотермической деформации заготовок из титанового сплава ВТ6 обнаружено, что предел текучести снижается при температуре 820 °С. Это позволяет уменьшить температуру обработки давлением при штамповке полуфабриката. В результате стойкость штампов повышается [12].

Изотермическая деформация позволяет получать полуфабрикаты из титановых сплавов, трудоемкость изготовления которых меньше по сравнению с трудоемкостью изготовления деталей из поковок и плит по традиционной многопереходной технологии [13].

Изучение влияния режимов изотермической деформации и термообработки на структуру и свойства поковок из титановых сплавов показало, что значение относительного удлинения увеличивается до 14 % на конечной стадии обработки давлением при применении метода изотермической штамповки. Рекристализационный отжиг позволяет сформировать структуру, которая оптимальна для достижения значений кратковременной прочности не менее 995 МПа [13].

Изучение свойств на полуфабрикатах, полученных методом изотермической деформации по схемам штамповки лопаток и дисков, вызывает большой интерес на отечественных и зарубежных предприятиях [14].

Изучение процессов уменьшения размера зерен лучше проводить на исходной крупной структуре, именно такую структуру имеют заготовки под штамповку дисков из титановых сплавов. В качестве исходного материала использовали плавки с различными макро- (первого и шестого баллов) и микроструктурами (третьего и девятого типов). Крупная структура получена специальным отжигом в b-области в течение 1 ч [15, 16].

Основная цель данной работы – изучение свойств и структуры поковок из титанового сплава ВТ3, полученных методом изотермической деформации в условиях НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Материалы и методы

Деформацию осуществляли на гидравлическом прессе усилием 630 тонн с использованием установки типа УИДИН (установка индукционного нагрева). В табл. 1 даны исходная структура, температура нагрева заготовок, температуры деформации и отжига. Проводили осадку со степенью деформации 60 % при штамповке лопаток и со степенью деформации 80 % за один проход при штамповке дисков на высокой заготовке.

Для термообработки лопаток выбран низкотемпературный отжиг при 600 °С и изотермический отжиг при 870 °С. Для дисков применяли изотермический отжиг при 870 °С и двойной отжиг при температурах 920 и 650 °С. Исследованию макро- и микроструктуры подвергали по одной штамповке от каждого режима штамповки и термообработки.

Таблица 1

Исходная структура, температура нагрева заготовок,

температура деформации и отжига сплава ВТ3-1

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Результаты и обсуждение

Для определения температурного интервала горячего деформирования, в том числе и деформирования в изотермических условиях, изучена технологическая пластичность в интервале температур 600–1200 °С.

Установлено, что при обычных условиях деформации все титановые сплавы независимо от типа (α, α+β и β) имеют следующие особенности:

– ограниченную технологическую пластичность при температурах ниже границы полиморфного превращения, что затрудняет обработку при этих температурах;

– практически неограниченную технологическую пластичность (без учета хрупкого альфированного слоя) при температурах, соответствующих β-области;

– большое упрочнение при деформации в интервале температур, лежащих ниже границы полиморфного превращения, что повышает сопротивление обработки давлением и вызывает неравномерную деформацию;

– малую прочность и отсутствие упрочнения при температурах, соответствующих β-области, что объясняется полнотой протекания рекристаллизационных процессов при обработке давлением.

В отличие от испытаний технологической пластичности в обычных условиях, испытания в изотермических условиях показали, что двухфазный титановый сплав ВТ3-1 имеет практически неограниченную технологическую пластичность при осадке лопаток в торец вплоть до температур на 250–300 °С ниже температур полиморфного превращения (табл. 2).

Таблица 2

Технологическая пластичность сплава ВТ3-1 в изотермических условиях

На рис. 1–3 показаны макро- и микроструктуры заготовок из сплава ВТ3-1 до и после обработки. Установлено, что нагрев и деформация в (α + β)-области заготовок с матовой макроструктурой первого балла обеспечивает в штамповках аналогичную матовую макроструктуру независимо от схемы осадки. Микроструктура значительно измельчается с 3–4 до 1–2 типа. Характер микроструктуры определяется термической обработкой. Наибольшее количество β-фазы (темный фон) дает двойной отжиг, затем низкотемпературный отжиг. Структура после такой термообработки напоминает по текстуре и количеству β-фазы структуру после высокотемпературной термомеханической обработки. Изотермический отжиг дает наименьшее количество β-фазы – равномерную α + β равноосную микроструктуру.

Рис. 1. Макро- (а, д) и микроструктура (б, е; ×300) исходной заготовки и макроструктура осажденных образцов из сплава ВТ3-1 в зависимости от исходной структуры, температуры нагрева (изотермические условия) и схем осадки штамповок дисков (в, г) и лопаток (ж– к)

Рис. 2. Микроструктура сплава ВТ3-1 в зависимости от исходной структуры, температуры нагрева (изотермические условия) и режимов отжига при осадке по схеме штамповки лопаток. Здесь и далее: в числителе – температура заготовки, в знаменателе – температура в установке типа УИДИН (см. табл. 1)

Исходная крупнозернистая макроструктура шестого балла и микроструктура девятого типа не обеспечивают равномерной микро- и макроструктуры по сечению штамповок. При штамповке лопаток практически отсутствует зона затрудненной деформации, в то время как при штамповке дисков наблюдаются слабодеформированные зоны, прилегающие к торцевым поверхностям заготовок.

По макроструктуре наибольшее отличие имеют заготовки, штампованные по схеме дисков с нагревом в (α + β)- и β-области. Так, при нагреве в (α + β)-области наблюдается широкая область с проработанной матовой макроструктурой первого балла. В то время как при нагреве в β-области эта зона состоит из вытянутых в направлении течения материала зерен, которые, как подтверждают микроисследования, не дробятся, как это имеет место при нагреве в (α + β)-области, а вытягиваются в направлении деформации с сохранением границ первичного β-зерна.

Рис. 3. Микроструктура сплава ВТ3-1 в зависимости от исходной структуры, температуры нагрева (изотермические условия) и режимов отжига при осадке по схеме штамповки дисков

Изучение механических свойств штамповок, полученных по схеме лопаток (табл. 3), позволило установить:

– исходная структура, соответствующая первому баллу макрозерна и третьему типу микрозерна, независимо от отжига обеспечивает требуемый уровень прочностных и пластических характеристик;

– низкотемпературный отжиг дает более высокий уровень прочности (1250–1350 МПа) по сравнению с изотермическим отжигом, однако при этом пластичность значительно снижена и не обеспечивает требуемого уровня свойств при исходной крупнозернистой структуре;

– изотермический отжиг обеспечивает требуемый уровень свойств при штамповке из (α + β)-области заготовок даже с крупнозернистой структурой;

– уровень ударной вязкости при изотермическом отжиге на 50 кДж/м² больше, чем при низкотемпературном. Неравномерная структура, которая соответствует нагреву и деформации в β-области при исходной крупнозернистой структуре, дает наименьший уровень свойств.

Таблица 3

Влияние исходной структуры, температуры нагрева и режимов отжига на

механические свойства сплава ВТ3-1 при осадке по схеме штамповок лопаток (ε = 60 %)

Результаты исследования механических свойств штамповок, полученных по схеме деформации дисков, показаны в табл. 4. Исследование позволило установить:

– полученные свойства при всех режимах штамповки и термообработки удовлетворяют требованиям технических условий;

– уровень пластичности, особенно поперечное сужение, при изотермическом отжиге снижается с 55 до 35 % при применении исходной крупной структуры по сравнению с мелкой и затем с 35 до 22 % ‒ при повышении температуры нагрева с 930 до 1050 °С;

– ударная вязкость намного выше при нагреве под деформацию в β-области, что связано со степенью протекания рекристаллизационых процессов в материале.

Таким образом, исследования показали, что при нагреве и деформации в (α + β)-области даже при исходной крупнозернистой структуре в заготовках типа дисков можно получить уровень свойств, значительно превышающий требуемый.

Таблица 4

Влияние исходной структуры, температуры нагрева и режимов отжига на

механические свойства сплава ВТ3-1 при осадке по схеме штамповок дисков (ε = 80 %)

В табл. 5 представлены результаты испытаний на кратковременную прочность, значения которой возрастают с увеличением балла макроструктуры в обоих случаях при температуре 930 °С. Для лопаток значения кратковременной прочности меньше в случае изотермического отжига вне зависимости от балла и температуры нагрева. Для дисков значения кратковременной прочности при изотермическом отжиге больше, чем при двойном отжиге для макроструктуры обоих баллов при температуре 930 °С. В случае образцов с шестым баллом макроструктуры при температуре 1050 °С значение кратковременной прочности больше при двойном отжиге.

Таблица 5

Кратковременная прочность (σ_в) сплава ВТ3-1 при температуре 450 °С

В табл. 6 представлены результаты испытаний на длительную прочность. В случае штамповок лопаток с низкотемпературным отжигом образцы как с первым, так и с шестым баллом макроструктуры разрушались при нагрузке 850 МПа. В остальных случаях образцы сняты без разрушения. После штамповки дисков с изотермическим отжигом с шестым баллом макроструктуры и нагревом до 930 °С разрушение образцов произошло при нагрузке 700 МПа. Кроме того, разрушились образцы с шестым баллом макроструктуры и нагревом до 930 °С при нагрузке 800 МПа при штамповке дисков с двойным отжигом.

Таблица 6

Длительная прочность (σ₁₀₀) сплава ВТ3-1 при температуре 450 °С

Таким образом, исследования длительной прочности показали, что указанный в технических условиях уровень свойств для сплава ВТ3-1 (550 МПа за 100 ч) перекрывается более чем на 200 МПа независимо от схемы штамповки, структуры и термообработки.

Заключения

В данной работе изучена технологическая пластичность титанового сплава ВТ3-1 в изотермических условиях при осадке по двум схемам в условиях НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ. Установлено, что двухфазный сплав ВТ3-1 имеет высокую технологическую пластичность в интервале температур вплоть до температур на 150–250 °С ниже границы полиморфного превращения, причем при осадке лопаток температурный интервал деформации на 100 °С уже.

Изучение структуры и свойств штамповок из сплава ВТ3-1, полученных по схемам деформации лопаток и дисков, показало, что штамповки, полученные по схеме деформации лопаток, обеспечивают требуемый уровень свойств при условии деформации в (α + β)-области и структуре исходного материала, соответствующей первому баллу макроструктуры и третьему типу микроструктуры. Штамповки, полученные по схеме деформации дисков, обеспечивают требуемый уровень свойств с достаточным запасом при условии исходной крупнозернистой структуры. Однако деформация должна осуществляться в (α + β)-области.

Полученные результаты исследования отражены в разработанной в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ производственной инструкции (ПИ 1.108–2011).