Изучение термомеханических параметров деформации и механических свойств титанового сплава марки ВТ30 в зависимости от условий деформирования
Изученытехнологическая пластичность, механизмы деформации и зависимость механических свойств от условий деформирования титанового сплава ВТ30. Исследованы образцы в литом и кованом состояниях. Образцы осажены на копре и прессе при различных температурах, также проведены ковка и штамповка прутков. Показано, что сплав ВТ30 обладает лучшими свойствами в кованом состоянии. Определены оптимальные условия для обработки давлением титанового сплава ВТ30.
Введение
Для развития авиационной техники необходимо промышленное производство деталей из сплавов, которые отвечают повышенным требованиям к прочности, надежности и ресурсу работы [1]. Разработка легированных высокопрочных материалов, в том числе титановых сплавов, предназначенных для аэрокосмической отрасли, является одним из основных направлений деятельности НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ [2, 3].
Современный термообрабатываемый титановый сплав ВТ30 сочетает способность к холодной деформации с высокой прочностью [4]. Наиболее близким по химическому составу к сплаву ВТ30 является cплав Beta III, разработанный фирмой Crucible Steel Corporation (США). Титановый сплав ВТ30 имеет следующий состав, % (по массе): основа – Ti; 11,5 – Mo; 6,0 – Zr; 4,5 – Sn [5]. Сплав ВТ30 закаливается на β-фазу [6], поэтому обладает более высокой технологической пластичностью в закаленном состоянии при холодной деформации по сравнению с (α + β)-сплавами [7, 8]. При старении выделяется тонкодисперсная α-фаза [9, 10]. Сплав имеет высокую прочность в сочетании с хорошей пластичностью.
Титановый сплав ВТ30 применяют для изготовления крепежных деталей в авиационной промышленности и деталей из листового материала [5], поскольку в данных случаях с большей эффективностью можно использовать способность сплава к холодной высадке [5, 11] и большой запас прочности [12].
Однако для проведения холодной деформации необходимо формирование определенной (регламентированной) структуры и свойств полуфабрикатов, полученных в результате предварительной горячей деформации.
Исследование технологической пластичности, механизма деформирования и зависимости механических свойств титанового сплава ВТ30 от условий деформации на оборудовании НИЦ «Курчатовский Институт» – ВИАМ является основной целью данной работы. Поведение титанового сплава изучали на образцах в литом и кованом состояниях. Кроме того, исследована деформация сплава при комнатной температуре, поскольку в холодном состоянии он деформируется.
Материалы и методы
Технологическую пластичность сплава ВТ30 исследовали с помощью следующих методов:
‒ осадка образцов Ø15 мм и высотой 20 мм на копре и гидравлическом прессе мощностью 25 т при температурах 700, 750, 800, 900, 1000 и 1100 °С и различной степени деформации как в литом, так и в кованом состояниях [13];
‒ определение ударной вязкости на копре при температурах 20, 700, 750, 800, 900, 1000 и 1100 °С;
‒ кратковременное испытание гладких образцов на разрыв при температурах 20, 700, 750, 800, 900, 1000 и 1100 °С;
‒ определение температуры полиморфного превращения плавки методом металлографического анализа, исследование макроструктуры прутков и металлографическое исследование микроструктуры на головках разрывных образцов. Для определения макро- и микроструктуры образцы подвергали травлению раствором, содержащим 5 % HF и 95 % H2O;
‒ определение механических свойств сплава ВТ30 в зависимости от условий горячей деформации. Режимы нагрева под штамповку соответствовали (α + β)- и β-областям. Штамповку проводили за два перехода. Степень деформации составила 20, 40 и 60 %. Исследования проводили на заготовках в отожженном и закаленном состояниях [14].
Слитки сплава ВТ30 получены методом двойного переплава [15]. Механические свойства сплава в литом состоянии в зависимости от температуры испытаний приведены в табл. 1.
Таблица 1
Механические свойства сплава ВТ30 в литом состоянии
в зависимости от температуры испытаний
Температура испытания, °С | Предел прочности при растяжении, МПа | Относительное удлинение при разрыве, % | Относительное сужение при разрыве, % | Ударная вязкость, Дж/см2 |
20 | 778,12–835,94 | 24,0 | 42,0 | 30,4–37,3 |
700 | 171,50–198,94 | 52,8–60,4 | 80,5–86,4 | 122,6–128,4 |
750 | 118,58–123,48 | 80,4 | 86,0 | 147,2–189,3 |
800 | 69,58–72,52 | 74,2–89,0 | 95,8–96,0 | 149,1–156,9 |
900 | 47,04–49,98 | 99,4–106,0 | 94,7–96,4 | 118,7–143,2 |
1000 | 27,44–29,40 | 76,0–127,4 | – | 93,2–157,9 |
1100 | 17,64 | 90,6 | 96,0 | 56,9–60,8 |
Результаты и обсуждение
Осадку цилиндрических образцов при динамическом деформировании проводили на копре, при статическом – на гидравлическом прессе мощностью 25 т с замером удельного давления.
Осадку образцов под прессом осуществляли в контейнере. Образец закладывали между шайбами со слюдой и вместе с контейнером нагревали в печи.
Критерием допустимой степени деформации является появление первой трещины на поверхности образца. Допустимая степень деформации сплава ВТ30 в литом состоянии приведена в табл. 2.
Таблица 2
Допустимая степень деформации сплава ВТ30 в литом состоянии
Температура испытания, °С | Допустимая степень деформации, %, при осадке | |
на прессе | на копре | |
700 | 30 | 25 |
750 | 40 | 32 |
800 | 47 | 38 |
900 | 55 | 40 |
1000 | 49 | 40 |
1100 | 40 | 30 |
Механические свойства сплава ВТ30 в кованом состоянии исследовали в интервале температур 20–1100 °С [16]. Результаты испытаний приведены в табл. 3. С повышением температуры характеристики пластичности (относительное сужение и удлинение при разрыве) увеличиваются, а предел прочности уменьшается.
В интервале температур от 20 до 800 °С относительное удлинение после разрыва непрерывно увеличивается и при 800 °С достигает максимального значения (318 %), при температуре >800 °С – уменьшается. Относительное сужение при комнатной температуре составляет 51,5–57,0 %, а в интервале температур 700–1100 °С достигает 96 %. В ходе испытаний при температуре 1000 °С образец изогнулся.
С повышением температуры предел прочности непрерывно уменьшается и при 1100 °С достигает 11,76 МПа.
Таблица 3
Механические свойства сплава ВТ30 в кованом состоянии
в зависимости от температуры испытаний
Температура испытания, °С | Предел прочности при растяжении, МПа | Относительное удлинение при разрыве, % | Относительное сужение при разрыве, % | Ударная вязкость, Дж/см2 |
20 | 1073,10–1082,90 | 9,4–12,4 | 51,5–57,0 | 41,2–54,9 |
700 | 147,98–201,88 | 80,8–102,2 | 94,0–96,0 | 340,4–367,8 |
750 | 108,78–122,50 | 188,6–198,0 | 96,0 | 346,2–367,8 |
800 | 102,90–124,46 | 186,4–318,0 | 96,0 | 311,9–338,4 |
900 | 17,64–35,28 | 231,0–318,0 | 96,0 | 269,7–279,5 |
1000 | 17,64 | 141,4 | 96,0 | 232,4–241,3 |
1100 | 11,76 | 154,0–198,0 | 96,0 | 177,5–179,5 |
В ходе испытаний на ударную вязкость образец сплава в кованом состоянии при температуре 20 °С разрушился, при температурах ≥700 °С – сохранился. Значения допустимой деформации сплава в кованом состоянии представлены в табл. 4.
Таблица 4
Допустимая степень деформации сплава ВТ30 в кованом состоянии
Температура испытания, °С | Допустимая степень деформации, %, при осадке | |
на прессе | на копре | |
700 | 70 | 56 |
750 | 73 | 65 |
800 | 75 | 70 |
900 | 77 | 75 |
1000 | 79 | 78 |
1100 | 80 | 80 |
Сплав ВТ30 в литом состоянии обладает низкой пластичностью. Например, наиболее распространенный (α + β)-сплав ВТ3-1 допускает деформацию на копре при температуре, близкой к полиморфному превращению (ε = 60 %). При более высокой температуре допустимая степень деформации возрастает до 80 %. При деформации на прессе сплав более технологичен. В отличие от сплава ВТ3-1 сплав ВТ30 не допускает деформацию на копре со степенью >40 % практически при всех температурах испытаний.
Осадка образцов на прессе показала, что технологическая пластичность сплава ВТ30 увеличивается, но в меньшей степени, чем для других титановых сплавов. Допустимая степень деформации на прессе за ход оборудования не должна превышать 50 % при температуре 900 °С. Учитывая, что температурный интервал деформации слитка должен быть не менее 200–250 °С, степень деформации должна быть <35 %.
Установлено, что предварительно деформированный материал обладает высокой технологической пластичностью. Допустимая степень деформации возрастает более чем в 2 раза независимо от скорости оборудования.
Допустимая степень деформации в (α + β)-области сплава ВТ30 в кованом состоянии при осадке на копре выше, чем сплава ВТ3-1. Переход от литого состояния к кованому также увеличивает ударную вязкость при температурах 800–1100 °С в ~2 раза.
При деформации на прессе изучали сопротивление деформированию сплава. Определено удельное давление сплава в литом и кованом состояниях (рис. 1). Удельное давление сплава в литом состоянии непрерывно увеличивается при уменьшении температуры нагрева под деформацию. Так, при температурах 1000–1100 °С удельное давление составляет 127–137 МПа, при 750–800 °С – достигает 196–245 МПа.
Рис. 1. Удельное давление сплава ВТ30 в литом (а) и кованом (б) состояниях при статическом деформировании на прессе
В кованом состоянии сплав имеет более высокое сопротивление деформации. Например, при температуре 900 °С величина среднего удельного давления сплава в литом состоянии составляет 171 МПа, в кованом – достигает 294 МПа. Значительное упрочнение сплава при деформации в кованом состоянии обнаружено при температуре 700 °С. При снижении температуры с 750 до 700 °С удельное давление возрастает с 313–343 до 539 МПа. Это объясняется тем фактом, что при 700 °С преобладает механизм холодной деформации.
На основании проведенных экспериментов установлено, что деформацию слитка из сплава ВТ30 на молоте следует проводить в интервале температур 800–1100 °С. Степень деформации за удар не должна превышать 25 %. При деформации слитка на прессе интервал температур составляет 750–1100 °С, а степень деформации за ход пресса ≤35 %.
Изучено влияние температуры предварительно деформированного материала на качество полуфабрикатов прутков из сплава ВТ30, а именно на механические свойства, макро- и микроструктуру.
Температура полного полиморфного превращения (α + β ⇄ β) исследуемой плавки, определенная методом металлографического анализа, составляет 750±10 °С. При температуре 700 °С содержание b-фазы не превышает 3–5 %.
Изучены свойства прутков Ø30 мм, кованых при температурах 850 и 950 °С, со степенью деформации 60 % и при штамповке за два перехода при температурах (α + β)- и β-области, т. е. 750 и 900 °С соответственно (рис. 2) [17]. Исследования проводили как в отожженном, так и в закаленных и состаренных состояниях. Отжиг проводили при температуре (α + b)-области с охлаждением на воздухе. Закалку осуществляли в (α + β)-области с охлаждением в воде, после чего выполняли старение при температуре (α + β)-области с охлаждением на воздухе.
Механические свойства прутков представлены в табл. 5, штампованного пруткового полуфабриката – в табл. 6. Приведенные данные показывают, что всесторонняя деформация (ковка со степенью деформации 65 %) обеспечивает высокий уровень свойств как в отожженных, так и в закаленных и состаренных состояниях даже при нагреве в β-области (т. е. при температурах 850 и 950 °С).
Рис. 2. Пруток из сплава ВТ30
Таблица 5
Механические свойства прутков Ø30 мм из сплава ВТ30 (отожженное,
закаленное и состаренное состояние) в зависимости от температуры деформации
Температура нагрева под ковку, °С | Предел прочности при растяжении, МПа | Относительное удлинение при разрыве, % | Относительное сужение при разрыве, % | Ударная вязкость, Дж/см2 | Термообработка |
850 | 886,9 | 12,7 | 57,5 | – | После горячей деформации |
850 | 1283,8–1332,8 | 4,7–8,0 | 25,7–44,7 | 30,4–36,2 | Закалка + старение |
850 | 931,0–940,8 | 7,7–10,4 | 57,0–61,5 | 75,5–80,4 | Отжиг |
950 | 1127,0–1146,6 | 4,9–6,5 | 39,3–44,6 | 53,9–74,5 | Закалка + старение |
950 | 911,4–931,0 | 8,4–8,8 | 51,0–58,0 | 58,8–76,5 | Отжиг |
950 | – | – | – | 97,1–90,2 | После горячей деформации |
Таблица 6
Механические свойства штампованного пруткового полуфабриката из сплава ВТ30 (отожженное, закаленное и состаренное состояние)
в зависимости от температуры деформации
Температура нагрева под штамповку, °С | Степень деформации, % | Предел прочности при растяжении, МПа | Относительное удлинение при разрыве, % | Относительное сужение при разрыве, % | Термообработка |
750 | 40 | 940,8–970,2 | 9,4–10,3 | 56,0–57,0 | После горячей деформации |
750 | 40 | 774,2–867,3 | 12,1–12,5 | 60,0–62,0 | Отжиг |
900 | 40 | 965,3–980,0 | 9,1–9,3 | 58,5–62,5 | |
750 | 20 | 1313,2–1342,6 | 7,5–8,7 | 39,5–45,0 | Закалка + старение |
40 | 1342,6–1347,5 | 7,1–8,7 | 33,5–35,5 | ||
60 | 1347,5 | 6,7–8,7 | 28,7–37,0 | ||
900 | 20 | 1293,6–1313,2 | 4,0 | 9,7–10,5 | |
40 | 1362,2–1381,8 | 0,9–3,4 | 6,1–6,4 | ||
60 | 1332,8–1362,2 | 3,0–3,1 | 11,1–13,5 |
При односторонней деформации на прессе за один ход оборудования уровни свойств пруткового полуфабриката, нагреваемого в (α + β)- и β-областях, в отожженном состоянии практически не различаются. В то время как в закаленном и состаренном состояниях относительное сужение полуфабриката, нагреваемого в β-области, в ~3 раза меньше, а относительное удлинение в ~2 раза меньше по сравнению с данными показателями для полуфабрикатов, полученных после деформации при температурах (α + β)-области.
При температуре 950 °С наблюдается разнозернистость (рис. 3, б), что незначительно снижает уровень механических свойств сплава. Для получения относительно мелкозернистой структуры необходимо проводить предварительный нагрев под ковку в β-области при температуре 850 °С с окончанием процесса при 700 °С. Это позволяет получить однородное относительно мелкое рекристаллизованное зерно, что увеличивает прочность сплава.
Рис. 3. Структура (×450) титанового сплава ВТ30 после старения (а), ковки при температурах 950 (б) и 850 °С (в)
Следует отметить, что уровень пластических свойств как в отожженном, так и в закаленном и состаренном состояниях не возрастает с увеличением степени деформации – колебания не превышают 7 %.
Изучены кинетика роста зерна сплава ВТ30 (рис. 4) и изменение ударной вязкости в интервале температур 500–1100 °С. Ударная вязкость сплава ВТ30 зависела от температуры отжига:
Ударная вязкость, Дж/см2 | 46,1 | 73,5 | 96,1 | 88,2 | 90,2 | 98,1 | 101,0 | 76,5 | 41,2 |
Температура отжига, °С | 500 | 600 | 700 | 800 | 850 | 900 | 950 | 1000 | 1100 |
Установлено, что интенсивный рост микрозерен начинается при температуре 700 °С, при этом ударная вязкость достигает максимальных значений в диапазоне температур 500–700 °С. В интервале температур 700–950 °С уровень ударной вязкости изменяется незначительно, хотя и сопровождается резким ростом зерен. Снижение ударной вязкости при температуре >950 °С объясняется, по-видимому, значительным окислением образцов и более интенсивным распадом β-фазы.
С учетом того, что сплав будет деформироваться в холодном состоянии, проведено испытание образцов Ø6 мм при комнатной температуре на прессе со степенью деформации 25–75 % и более (рис. 5). Трещины выявлены на образцах со степенью деформации 40–50 % и закаленных при различных температурах (рис. 5, г). По-видимому, это связано с интенсивным ростом зерна. В то же время образцы демонстрируют высокую пластичность в исходном и отожженном состоянии со степенью деформации 75 % (рис. 5, б, в).
Рис. 4. Микроструктура (×450) сплава ВТ30 при температурах нагрева 500 (а), 600 (б), 700 (в), 800 (г), 850 (д), 900 (е), 950 (ж), 1000 (з) и 1100 °С (и)
Рис. 5. Образцы сплава ВТ30 до испытания (а), в отожженном (б), горячекованом состояниях (в) при степени деформации 75 % и в закаленном состоянии при степени деформации 50 % (г) после осадки при комнатной температуре
Установлено, что сплав ВТ30 в закаленном состоянии обладает значительно меньшей пластичностью по сравнению с горячекованым и отожженным состоянием при холодной деформации. Согласно техническим условиям, титановый сплав ВТ16, применяемый при холодной высадке, подвергается обработке давлением со степенью деформации >70 %. Для сплава ВТ30 это значение достигает 75 %, что удовлетворяет требованиям к холодновысадочным крепежам. Кроме того, сплав ВТ16 деформируют в отожженном состоянии. Сплав ВТ30 демонстрирует высокую пластичность как в исходном горячекованом состоянии, так и после отжига. Это значит, что для достижения большей технологичности сплав ВТ30 можно подвергать холодной деформации без предварительной термообработки.
Заключения
Титановый сплав ВТ30 в литом состоянии обладает ограниченной технологической пластичностью как при деформации с большими скоростями на молотах, так и с малыми скоростями на прессах.
Деформацию слитка на молоте следует проводить в интервале температур 800–1100 °С, степень деформации за удар не должна превышать 25 %. При деформации слитка на прессе температура должна составлять 750 °С, степень деформации за ход пресса ≤35 %.
В предварительно деформированном состоянии сплав обладает высокой технологической пластичностью.
Ковку деформированного материала на предварительные заготовки необходимо проводить на молотах и прессах с температуры 950 °С в зависимости от усилия оборудования и величины заготовки. Заканчивать ковку на молотах необходимо при температуре ≥700 °С, на прессах ≥600 °С. При ковке на окончательный размер температура нагрева должна быть снижена до 850 °С, степень деформации 40–70 %.
Для получения деформированного полуфабриката в отожженном состоянии оптимальные температуры начала и окончания штамповки на прессах должны составлять 850 и 600 °С, на молотах 900 и 700 °С соответственно. Для получения пруткового полуфабриката с высоким уровнем свойств в закаленном и состаренном состоянии следует снижать температуру нагрева под штамповку до температуры (α + β)-области.
Максимальная технологическая пластичность при последующей холодной деформации титанового сплава ВТ30 достигается при формировании мелкозернистой β-рекристаллизованной структуры после предварительной горячей деформации в β-области или после отжига при температурах, близких к температуре полиморфного превращения.
- 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. DOI: 10.18577/2071-9140-2015-0-1-3-33.
- Каблов Е.Н., Бакрадзе М.М., Громов В.И., Вознесенская Н.М., Якушева Н.А. Новые высокопрочные конструкционные и коррозионностойкие стали для аэрокосмической техники разработки ФГУП «ВИАМ» (обзор) // Авиационные материалы и технологии. 2020. № 1 (58). С. 3–11. DOI: 10.18577/2071-9140-2020-0-1-3-11.
- Оспенникова О.Г. Итоги реализации стратегических направлений по созданию нового поколения жаропрочных литейных и деформируемых сплавов и сталей за 2012–2016 гг. // Авиационные материалы и технологии. 2017. № S. C. 17–23. DOI: 10.18577/2071-9140-2017-0-S-17-23.
- Ночовная Н.А., Ширяев А.А., Шарапкин Д.С. Комплекс механических и эксплуатационных свойств катаных заготовок из псевдо-β-титанового сплава ВТ47 // Авиационные материалы и технологии. 2022. № 3 (68). Ст. 05. URL: http://www.journal.viam.ru (дата обращения: 16.05.2023). DOI: 10.18577/2713-0193-2022-0-3-50-59.
- Моисеев В.Н. Бета-титановые сплавы и перспективы их развития // Металловедение и термическая обработка металлов. 1998. № 12. С. 11–14.
- Брун М.Я., Белов С.П., Глазунов С.Г. и др. Металловедение титановых сплавов. М.: Металлургия, 1994. 351 с.
- Каблов Е.Н., Путырский С.В., Яковлев А.Л., Крохина В.А., Наприенко С.А. Исследование сопротивления усталостному разрушению штамповок из высокопрочного титанового сплава ВТ22М, изготовленных с заключительной деформацией в (α + β)- и β-областях // Титан. 2021. Т. 70. № 1. С. 26–33.
- Зарипова Р.Г., Шундалов В.А., Шарафутдинов А.В. и др. Влияние интенсивной пластической деформации и режимов обработки на структуру и механические свойства титанового сплава ВТ6 // Вестник Уфимского государственного авиационного технического университета. 2012. № 7 (52). C. 17–24.
- Скугорев А.В., Капитаненко Д.В., Шишков С.Ю., Мельникова Д.А. Формирование структуры и механических свойств высоколегированных титановых сплавов при изотермической штамповке на воздухе // Титан. 2021. Т. 72. № 3. С. 34–40.
- Бургонова О.Ю., Пантюхова К.Н., Белозерова Е.П. Определение рационального режима термической обработки сплава ВТ3-1 для повышения пластичности перед обработкой давлением // Омский научный вестник. 2017. № 3 (153). C. 44–48.
- Разуваев Е.И., Моисеев Н.В., Капитаненко Д.В., Бубнов М.В. Современные технологии обработки металлов давлением // Труды ВИАМ. 2015. № 2. Ст. 03. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 12.05.2023). DOI: 10.18577/2307-6046-2015-0-2-3-3.
- Егорова Ю.Б., Давыденко Л.В., Белова С.Б., Чибисова Е.В. Прогнозирование механических свойств поковок из титановых сплавов ВТ6 и ВТ3-1 в зависимости от химического состава и структуры // Известия вузов. Цветная металлургия. 2018. № 1. С. 12–21.
- Путырский С.В., Яковлев А.Л., Ночовная Н.А., Крохина В.А. Исследование влияния различных режимов термической обработки на свойства полуфабрикатов и сварных соединений из сплава ВТ22М // Авиационные материалы и технологии. 2019. № 1 (54). С. 3–10. DOI: 10.18577/2071-9140-2019-0-1-3-10.
- Дзунович Д.А., Лукина Е.А., Яковлев А.Л. Влияние режимов термической обработки на технологичность и механические свойства листов из высокопрочного титанового сплава ВТ23 // Авиационные материалы и технологии. 2018. № 3 (52). С. 3–10. DOI: 10.18577/2071-9140-2018-0-3-3-10.
- Дуюнова В.А., Оглодков М.С., Путырский С.В., Кочетков А.С., Зуева О.В. Современные технологии выплавки слитков титановых сплавов (обзор) // Авиационные материалы и технологии. 2022. № 1 (66). Ст. 03. URL: http://www.journal.viam.ru (дата обращения: 22.12.2023). DOI: 10.18577/2713-0193-2022-0-1-30-40.
- Александров В.К., Белов А.Ф., Бондарев Б.И. и др. Металловедение и обработка титановых и жаропрочных сплавов. М.: ВИЛС, 1991. 389 с.
- Крохина В.А., Арисланов А.А., Путырский С.В., Анисимова А.Ю. Исследование закономерностей формирования структуры прутков из титанового сплава ВТ6 в зависимости от различных технологических схем изготовления // Авиационные материалы и технологии. 2023. № 4 (73). Ст. 04. URL: http://www.journal.viam.ru (дата обращения: 22.12.2023). DOI: 10.18577/2713-0193-2023-0-4-36-44.