Ликвационные дефекты в интерметаллидных титановых орто-сплавах и методы их устранения

Введение

В связи с повышением требований к техническим характеристикам двигателей и конструкций летательных аппаратов возрастает необходимость использования новых материалов [1–3]. Титановые сплавы широко применяют для создания современной авиационной техники. Для деталей и узлов, работающих при температурах до 600 °С, успешно используются жаропрочные псевдо-α- и (α+β)-титановые сплавы. Дальнейшее увеличение температуры эксплуатации возможно за счет применения сплавов на основе орто-фазы (Ti₂AlNb), обладающих высокой прочностью, жаропрочностью и жаростойкостью [4, 5].

Основным фактором, сдерживающим внедрение сложнолегированных орто-сплавов в серийное производство, является сложность получения качественных слитков. Высокое содержание тугоплавких элементов и значительное различие температур плавления основных компонентов (титана, алюминия и ниобия) делает орто-сплавы склонными к ликвации [6, 7]. Кроме того, формирование участков с химической неоднородностью в процессе затвердевания слитков при вакуумно-дуговом переплаве (ВДП) приводит к образованию ликвационных дефектов, которые наблюдаются как в титановых, так и в других металлических сплавах [8–10]. Образовавшиеся дефекты сохраняются в деформированных полуфабрикатах, не обнаруживаются традиционными методами неразрушающего контроля, могут привести к существенному изменению микроструктуры и механических свойств сплава.

К ликвации склонны все сплавы, которые кристаллизуются в интервале температур [11], поскольку при затвердевании образуется двухфазная область, включающая твердую и жидкую фазы с различным содержанием легирующих компонентов. Если химический элемент имеет более высокую растворимость в жидком металле, то его содержание в образующейся при кристаллизации твердой фазе будет меньше, чем в жидкой. Для оценки склонности сплава к ликвации используют фазовые диаграммы, характеристикой которых могут служить равновесные коэффициенты распределения легирующих элементов (K_p) и температура ликвации (ΔT_S) [10, 12, 13].

Коэффициент K_p определяется отношением концентраций легирующих элементов в твердой (С_S) и жидкой (С_L) фазе на границе раздела фаз:

 К_Р=С_S/C_L

Отклонения коэффициента K_p от единицы в большую или меньшую сторону приводят к увеличению степени ликвации.

Температура ликвации характеризует ширину двухфазной зоны, в диапазоне которой образуются ликвационные дефекты:

где m_i – наклон линии ликвидус на фазовой диаграмме титана и i-го элемента; С_i – концентрация i-го элемента в сплаве; K_i – равновесный коэффициент распределения i-го элемента. Суммирование ведется по всем элементам, входящим в состав сплава.

В зависимости от размера области, в которой возникает различие концентраций компонентов, ликвацию разделяют:

– на внутрикристаллическую (в пределах кристаллического зерна – макрозерна);

– дендритную (в пределах дендритной ячейки);

– зональную (во всем слитке).

Технология производства слитков должна учитывать все особенности орто-сплавов во избежание получения ярко выраженной ликвации, которая может привести к снижению уровня свойств или разрушению изделия при эксплуатации.

В данной статье приведены результаты опубликованных работ, посвященных исследованию ликвационных дефектов в слитках из различных сплавов и методам их устранения с целью возможного применения данных подходов при выплавке слитков из интерметаллидных титановых орто-сплавов повышенного качества.

Ликвационные дефекты в орто-сплавах

В работах [14, 15] исследованы ликвационные дефекты в крупногабаритных промышленных слитках из интерметаллидных титановых орто-сплавов ВТИ-4 и ВИТ1, полученных методом ВДП. Группа исследователей под руководством Е.Н. Кондрашова установила наличие трех видов ликвационных дефектов: древовидные полосы, светлые полосы-шнуры и ликвационные пятна.

Ликвационный дефект в виде древовидной полосы представляет собой ободок, напоминающий годовое кольцо дерева в поперечном сечении. Наиболее часто древовидные полосы возникают в нижней части слитка, полученного методом ВДП. Такой тип дефекта характерен для серийных титановых сплавов Ti-6246, ВТ3-1 и Ti-64, выплавленных при повышенной силе тока. В слитке из сплава ВТИ-4 данный дефект обнаружен вблизи периферии в области, соответствующей донной части (рис. 1). Для сплава Ti-6246 появление древовидной ликвации связано с медленным продвижением или остановкой фронта затвердевания в условиях формирования плоской структуры кристаллизации. В слитке из сплава ВТИ-4 этот дефект обусловлен аналогичной причиной, поскольку он также выплавлен при высокой силе тока [14].

Рис. 1. Древовидные полосы в слитке из сплава ВТИ-4 [14]

Авторы статьи [14] отмечают, что устранение древовидных дефектов как в традиционных титановых сплавах, так и в никелевом сплаве Inconel 718 достигается отработкой технологии плавления. Равномерного перемещения фронта затвердевания (включая отсутствие его остановок) можно достичь за счет автоматического режима плавления при постоянных значениях дугового зазора и массовой скорости плавления.

Ликвационные шнуры рассмотрены на примере слитка размером Ø420×600 мм из интерметаллидного титанового орто-сплава ВИТ1 [15]. Светлые ликвационные полосы-шнуры, для которых выявлено пониженное содержание Nb и повышенное содержание Al, обнаружены вблизи периферийной зоны слитка из сплава ВИТ1 (рис. 2). Отмечено сходство макроструктур ликвационных шнуров в слитках из орто-сплава ВИТ1 и титанового сплава Ti-1023.

Для борьбы с подобными дефектами в сплаве Ti-1023 сотрудники ПАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА» разработали программу численного моделирования SimuVAR, позволяющую корректировать параметры ВДП. С помощью моделирования, опирающегося на определение теплофизических свойств и параметров граничных условий ВДП интерметаллидных титановых орто-сплавов ВТИ-4 и ВИТ1, появляется возможность устранить ликвационные шнуры в слитках из данных сплавов.

Рис. 2. Микроструктуры светлой полосы-шнура в слитке из сплава ВИТ1, полученные с помощью оптического (а) и растрового электронного (Z-контраст) (б) микроскопов. Ширина снимка составляет 2,73 мм [15]

Ликвационные пятна диаметром <3 мм обнаружены в центральной по высоте части слитка из сплава ВТИ-4 [14]. При анализе макроструктуры можно отметить равномерное распределение пятен по всему поперечному сечению слитка и уменьшение их размера от центра к периферии (рис. 3). Микрорентгеноспектральный анализ показал, что содержание элементов внутри ликвационного пятна не соответствует составу сплава ВТИ-4. Наблюдается отклонение содержания Al, Zr, Mo и Si в основном металле и ликвационном пятне, но наиболее заметна ликвация по Nb, которая достигает 5 % (по массе). Данный вид дефектов в орто-сплавах подобен β-флекам в традиционных титановых сплавах и дефектам типа «веснушки» в никелевых сплавах и обусловлен прямой ликвацией, когда перераспределение химических элементов соответствует равновесным бинарным диаграммам. Вследствие этого методы борьбы с дефектами типа «веснушки» в сплавах Inconel и β-флеками в титановых сплавах можно использовать для устранения ликвационных пятен в интерметаллидных титановых орто-сплавах. Одним из возможных решений может быть поиск оптимального значения силы тока, при котором минимизируется число Рэлея (Ra), описывающее отношение подъемной силы к силам капиллярности [14, 16].

Рис. 3. Ликвационные пятна, обнаруженные в слитке из сплава ВТИ-4 [14]

Отдельно следует отметить возможность образования дефектов в виде тугоплавких включений в слитках из интерметаллидных титановых орто-сплавов, причиной которого может быть введение в чистом виде таких элементов, как Nb, Mo, W, Ta. Решение этой проблемы носит технический характер, связано с грамотным выбором шихтовых материалов и необходимого количества переплавов. Одним из возможных способов является применение гарнисажных дуговых печей, которые обеспечивают осаждение на дно и последующее «вмерзание» в гарнисажный слой нерастворившихся тугоплавких лигатур. Для устранения такого рода дефектов можно рассмотреть возможность применения электронно-лучевого и плазменно-дугового способа выплавки слитков [17, 18]. Однако в данной статье внимание на этом не акцентировано.

Таким образом, можно сделать вывод, что для достижения высокого качества слитков из интерметаллидных титановых орто-сплавов, полученных методом ВДП, необходимо детально исследовать как причины, так и условия образования ликвационных дефектов. Как отмечено ранее, данные дефекты характерны не только для титановых сплавов, но и для сплавов других систем. Это позволяет применять для орто-сплавов методы устранения химической неоднородности, разработанные для других сплавов.

Ликвационные дефекты и способы их устранения в титановых, 
никелевых и ниобий-титановых сплавах

В работах [19, 20] исследован дефект сегрегации, известный в промышленности как β-флек и встречающийся в большинстве β-, псевдо-β- и (α + β)-титановых сплавов. Он характерен для слитков из сплавов ВТ3-1, Ti-17, Ti-1023 и представляет собой локальные участки с повышенным содержанием β-стабилизирующих элементов. В производстве данные дефекты можно выявить в ходе травления, используемого при контроле качества слитков. Распределение β-флеков по слитку, как правило, имеет V-образную форму в центральной части, что аналогично распределению, наблюдаемому в никелевом сплаве Inconel 718. Следует отметить, что β-флеки снижают уровень механических свойств сплава, в частности они приводят к уменьшению удлинения при растяжении. При изучении микроструктуры выявлено, что β-флеки стали местами зарождения трещин в сплаве Ti-17 и привели к сокращению срока службы детали. В титановых сплавах, которые плавятся при низких скоростях, β-флеки образуются так же, как и дефекты типа «веснушки» в никелевых сплавах [19, 20]. Другой механизм реализуется в результате эффекта «кристаллического дождя» [20], наблюдаемого в стальных слитках. Данные механизмы не являются взаимоисключающими и могут работать одновременно. Для решения проблемы появления дефектов типа «веснушки» и β-флеков при производстве слитков большого диаметра из промышленных сплавов исследователи предлагают [19–21] использовать число Рэлея. Данный показатель учитывает теплофизические характеристики материала, размер двухфазной области «расплав–твердая фаза», технологические параметры процесса ВДП и характеризует вероятность образования дефектов этой природы в затвердевающей структуре. Установлено, что образование β-флеков наиболее вероятно при Ra > 1.

С помощью программного обеспечения Meltflow VAR в работе [20] рассчитано распределение значений числа Рэлея по сечению слитков из сплава Ti-1023 диаметром 580 мм, полученных при разной скорости плавления (рис. 4). Обнаружено, что при низкой скорости (4 кг/мин) вероятность образования β-флеков крайне мала. Повышение скорости до 15 кг/мин приводит к появлению ликвационных дефектов практически по всему периметру слитка, за исключением донной области, вследствие интенсивного теплоотвода. При средней скорости плавления (8 кг/мин) β-флеки появляются в верхней и центральной части слитка. Это свидетельствует о необходимости соответствующего снижения скорости плавления по мере постепенного увеличения размера слитка для уменьшения вероятности образования дефектов. Реализовать данную схему выплавки в промышленности можно, используя программируемую скорость плавления при ВДП. Однако следует учитывать, что для полного устранения дефектов необходима очень низкая скорость плавления, которая является неприемлемой для изготовления слитка с поверхностью, пригодной для ковки.

Рис. 4. Расчетная картина распределения значений числа Рэлея (Ra) в слитках из сплава 
Ti-1023, полученных методом вакуумно-дугового переплава при скорости плавления 4 (а), 8 (б) 
и 15 кг/мин (в) [20]

Кроме того, в работе [20] показано, что образование β-флеков в зонах со значением Ra, близким к 1, связано с нестабильным процессом плавления из-за регулярного перемещения дуги или изменения режима течения и/или условий теплопередачи. По мнению авторов, решение данной проблемы заключается в разработке процесса, в котором подвод энергии и условия затвердевания слитка не связаны между собой. Такой процесс обеспечит достаточную мощность для достижения необходимого качества поверхности слитка и высокие температурные градиенты для его затвердевания. К таким процессам можно отнести электронно-лучевую плавку с холодным подом и плазменную дуговую плавку. Первый способ в настоящее время используется для производства сплава Ti-64, но следует отметить его существенный недостаток: значительное выгорание легкоплавких элементов в ходе плавления. С механической точки зрения второй способ является сложным, и поэтому широко не используется.

В работе [21] изучены дефекты типа «веснушки» в слитке из сплава системы Nb–Ti диаметром 500 мм, изготовленном методом ВДП. Химический состав дефектов, обнаруженных в верхней части слитка, и основного металла значительно различается: содержание Ti в дефектах больше на 7 % (по массе), чем в матрице. В качестве критерия вероятности возникновения дефектов типа «веснушки» выбрано число Рэлея, расчет которого, как и в предыдущем примере, выполнили с помощью программного обеспечения Meltflow VAR. Моделирование проводили для трех различных режимов ВДП (рис. 5). Для процессов 2 и 3 значения Ra имеют меньший разброс, ярко выраженные «опасные» зоны отсутствуют. В соответствии с результатами моделирования процесс ВДП оптимизирован, получен бездефектный слиток. Можно сделать вывод об эффективности применения данного критерия для борьбы с подобными ликвационными дефектами.

Для моделирования технологических процессов, включая литье и ВДП, разработано множество программных пакетов, которые позволяют описать большое количество физических явлений. Однако для их использования необходима информация о параметрах сплавов, которую зачастую сложно получить. Данные программы специфичны, требуют значительных вычислительных ресурсов и высокой квалификации персонала. Поэтому авторы публикации [22] поставили задачу ‒ разработать простой инструмент, который за короткое время позволит оценить влияние технологических параметров на динамику изменения характеристик слитка.

Рис. 5. Результаты моделирования значений числа Рэлея (Ra) для процессов 1 (а), 2 (б) и 3 (в) [21]

Для разработки условий окончательного переплава сплава ВТ3-1 создана математическая модель расчета температурного поля слитка при ВДП, чтобы исключить образование дефектов сегрегации. На основании рентгенограммы рассчитана морфологическая карта для сплава ВТ3-1, на которой отражено расположение β-флеков, образующихся при высоких значениях силы тока в определенных зонах слитка после окончательного переплава (рис. 6).

Рис. 6. Морфологическая карта для сплава ВТ3-1 [22]: * – плавающие (равноосные) дендриты; ο – направленные (столбчатые) дендриты; ♦ – дендритные ячейки; ◊ – плоский фронт; кривые ‒ переходы для различных морфологических структур

При разработке процесса ВДП необходимо выбирать значения силы тока таким образом, чтобы ни одна из зон слитка не находилась в «опасной» области морфологической карты, содержащей β-флеки. Кроме того, необходимо учитывать, что чем меньше продолжительность локального затвердевания (Local Solidification Time ‒ LST), тем меньше степень зональной ликвации. Используя разработанную математическую модель, авторы работы [22] установили зависимость LST от силы тока дуги для квазистационарных условий переплава (рис. 7). Зависимость имеет локальный минимум, а сила тока, соответствующая минимальному значению LST, обеспечивает отсутствие β-флеков.

Рис. 7. Зависимость продолжительности локального затвердевания (LST) от силы тока [22]

Используя данные морфологической карты и подобрав силу тока, соответствующую минимальному значению LST, выплавили слиток, из которого изготовили биллеты диаметром 150 мм. Исследования показали отсутствие макросегрегаций и β-флеков в биллетах. Данный пример подтвердил возможность использования созданной тепловой математической модели для получения информации о динамике затвердевания слитка при ВДП и устранения ликвационных дефектов.

В работе [23] исследовано влияние осевого магнитного поля (Axial Magnetic Field ‒ AMF) на процесс затвердевания слитка из никелевого сплава состава Ni–5,8Al–15,2Ta диаметром 254 мм при ВДП. Для этого разработана трехмерная полноразмерная переходная модель, предсказывающая возникновение дефектов сегрегации, и исследованы режимы выплавки при интенсивности магнитного поля 0; 0,005 и 0,01 Тл. Установлено, что увеличение силы перемешивания, создаваемой AMF, приводит к увеличению глубины ванны расплава. Для оценки общей степени сегрегации растворенного вещества использована усредненная по объему степень сегрегации. Выявлено, что по мере увеличения интенсивности AMF с 0 до 0,005 Тл степень сегрегации снижается значительно (на 24,13 %), а дальнейшее повышение до 0,01 Тл приводит к снижению степени сегрегации всего на 1,96 % (рис. 8).

Рис. 8. Изменение усредненной по объему степени сегрегации в процессе затвердевания при различной интенсивности осевого магнитного поля [23]

Для дальнейшей оценки влияния AMF на процессы затвердевания использованы усредненные по объему слитка значения LST и расстояния между дендритными осями II порядка (Secondary Dendrite Arm Spacing ‒ SDAS). Установлено, что применение AMF приводит к уменьшению обоих параметров. При отсутствии AMF значения LST и SDAS составляют 1088 с и 190 мкм; при использовании AMF интенсивностью 0,01 Тл: 890 с и 182 мкм соответственно (рис. 9). Следовательно, можно сделать вывод, что применение AMF позволяет значительно улучшить металлургическое качество слитка, однако следует отметить необходимость рационального подбора интенсивности AMF, поскольку с ее увеличением эффект становится менее выраженным.

Рис. 9. Продолжительность локального затвердевания (LST) и расстояние между дендритными осями II порядка (SDAS) при различной интенсивности осевого магнитного поля после затвердевания [23]

Как отмечено ранее, для получения качественного слитка необходимо обеспечить высокую точность технологических параметров заданного режима плавления. В работе [24] продемонстрирован один из возможных вариантов реализации такого подхода. Специалисты ПАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА» регулируют величину дугового зазора между расходуемым электродом и ванной расплава при ВДП, изменяя различные показатели процесса: среднее напряжение, массовую скорость плавления и специальные сигналы. При проведении исследований возникла проблема, связанная со сложностью регулирования дугового зазора при небольшой силе тока. В рамках экспериментальных работ по поиску нового сигнала для регулирования процесса установлено, что при частоте снятия сигнала 40 кГц возникают отрицательные значения напряжения (напряжения с обратной полярностью) (рис. 10). Продолжительность («ширина») отрицательных импульсов чувствительна к изменению величины дугового зазора. Наиболее информативные импульсы отбирали в соответствии с распределением Вейбулла. Полученный сигнал Θ для автоматического регулирования дугового зазора позволяет рассчитать его величину с точностью ±2 усл. ед.

Таким образом, сравнивается фактическое значение межэлектродного зазора с требуемой величиной и формируется сигнал управления приводом перемещения расходуемого электрода. Экспериментальная зависимость сигнала Θ от длины дугового зазора показана на рис. 11. При больших значениях дугового зазора (>30 усл. ед.) для управления печью сигнал Θ неприменим, так как не позволяет значимо различать значения. В этом случае могут происходить «растягивание» и переход горения с дуги на медный кристаллизатор, что в свою очередь приведет к взрыву. Применение сигнала Θ позволяет контролировать величину дугового зазора между расходуемым электродом и ванной расплава, а также автоматизировать этот процесс, исключив человеческий фактор.

Рис. 10. Зависимость напряжения от продолжительности процесса [24]

Рис. 11. Зависимость сигнала Θ от длины дугового зазора [24]

Получение качественных и бездефектных слитков является ключевой задачей и основой как для успешного внедрения новых материалов, так и использования серийных сплавов для изготовления ответственных деталей авиационно-космической техники. Качество выплавляемых слитков оказывает непосредственное влияние на эксплуатационные свойства деталей и изделий, поэтому соблюдение технологических режимов при производстве слитков является чрезвычайно важным.

Однако нужно признать, что в силу различных обстоятельств не всегда удается полностью устранить ликвационные дефекты, которые в значительной мере проявляются на сложнолегированных сплавах и крупногабаритных промышленных слитках большого диаметра. Помимо технологических решений для отработки параметров плавления необходимо применять дополнительную операцию – гомогенизацию выплавленных слитков. Если первые решения направлены на недопущение образования ликвационной неоднородности в выплавляемых слитках, то вторые – призваны нивелировать последствия и максимально устранить дефекты в уже выплавленных слитках. Гомогенизация как вид термической обработки нашла применение в производстве традиционных титановых [25, 26] и орто-сплавов [27, 28].

В работе [25] исследовано влияние гомогенизирующей термической обработки на распределение Fe в крупногабаритных слитках из сплава Ti-1023 в масштабе зерен. Слиток размером Ø360×1300 мм выплавлен методом ВДП. В рамках исследования из центральной части слитка вырезан темплет, из которого изготовлено четыре образца размером Ø30×10 мм (рис. 12). Гомогенизацию проводили при температурах 1050, 1100, 1150 и 1200 °C в течение 12 ч с последующим охлаждением в печи до комнатной температуры.

Рис. 12. Схема отбора образцов из слитка, изготовленного из сплава Ti-1023 [25]

В результате гомогенизации в течение 12 ч при температуре 1200 °C достигнут наилучший результат: отклонение содержания Fe в слитке составило 0,4–3,8 %.

После подбора оптимальной температуры проведены дополнительные исследования влияния продолжительности отжига на распределение Fe. Установлено, что в результате гомогенизационной выдержки в течение 24 ч при температуре 1200 °C содержание железа в зернах сплава Ti-1023 может достигать практически полной однородности (рис. 13).

Рис. 13. Распределение содержания Fe в зерне сплава Ti-1023 в результате гомогенизации при температуре 1200 °С [25]

Таким образом, на примере образцов сплава Ti-1023 показано, что проведение гомогенизирующей термической обработки при оптимальной температуре нагрева и продолжительности выдержки способствует повышению однородности литого материала. За счет гомогенизирующей термической обработки аналогично можно повысить химическую однородность слитков из интерметаллидных титановых орто-сплавов. Поэтому в дальнейшем необходимы постановка и проведение описанных работ для орто-сплавов.

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

Заключения

Ликвационные дефекты в слитках, изготовленных из интерметаллидных титановых орто-сплавов ВТИ-4 и ВИТ1 методом ВДП, подобны аналогичным дефектам, встречающимся в титановых, никелевых и ниобий-титановых сплавах, поэтому для их устранения можно успешно применять отработанные на других материалах методы.

Устранение ликвационных дефектов в виде древовидных полос достигается отработкой технологии плавления, обеспечивающей равномерное перемещение фронта затвердевания (исключая прерывание плавления) за счет ведения плавки в автоматическом режиме при постоянных значениях дугового зазора и массовой скорости плавления.

Для устранения ликвационных шнуров в ПАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА» разработана программа численного моделирования SimuVAR, учитывающая теплофизические свойства сплава и граничные условия процесса ВДП, которая успешно применяется для сплава Ti-1023.

Для борьбы с ликвационными пятнами (β-флеки в титановых сплавах и дефекты типа «веснушки» в никелевых сплавах) одним из возможных решений может быть поиск оптимальной силы тока, при которой минимизируется число Рэлея: чем меньше Ra, тем ниже вероятность образования дефекта. Необходимы также детальное изучение влияния AMF, построение морфологических карт расположения дефектов и снижение величины LST.

В качестве дополнительного метода снижения ликвационной неоднородности в уже выплавленных слитках может применяться гомогенизирующая термическая обработка. Исследования сплава Ti-1023 показывают, что повышение температуры нагрева до 1200 °С и продолжительности выдержки до 24 ч способствует значительному выравниванию содержания железа в пределах одного зерна.