Влияние параметров режима термической обработки на механические свойства и структуру полуфабрикатов из высокопрочного титанового сплава ВТ23М

Введение

В настоящее время активно ведутся работы, направленные не только на достижение максимально высокого уровня физико-механических и эксплуатационных свойств изделий из отечественных титановых сплавов, но и на импортозамещение агрегатов, элементов конструкций авиационной техники, изготовленных из материалов иностранного производства [1].

При этом особенно важным остается вопрос как сохранения на текущем уровне, так и повышения весовой эффективности элементов конструкций и изделий авиационно-космического транспорта за счет использования материалов с улучшенными свойствами [2].

В частности, остро стоит вопрос о возможности замены применяемых в настоящее время двигателей, производимых по иностранной лицензии и устанавливаемых на отечественные самолеты гражданского назначения, на аналогичные отечественные двигатели. Ожидается, что применение усовершенствованных агрегатов, в том числе газогенератора, модернизированных и перспективных отечественных двигателей, обеспечит снижение расхода топлива, а также стоимости двигателя и его технического обслуживания.

Для уменьшения габаритов и массы конструкций серийных авиационных двигателей зачастую требуется переработка узлов подвески (пилонов). Это возможно реализовать за счет повышения характеристик прочности материала силовых деталей, входящих в конструкцию пилона (например, балки), путем изменения технологических режимов изготовления полуфабрикатов из применяемого в настоящее время сплава ВТ6ч [3–5] либо путем замены на сплав с более высоким уровнем прочности.

Одними из наиболее перспективных материалов являются высокопрочные титановые (α + β)-сплавы мартенситного класса: ВТ23/ВТ23М, ВТ16 и зарубежные Ti-17, SP700, Ti6246, Beta III [6].

Среди отечественных сплавов данного класса можно выделить сплав марки ВТ23М, обладающий суженным диапазоном легирования, высокой технологичностью, совокупностью необходимых механических и эксплуатационных свойств (прочность, ударная вязкость и вязкость разрушения) [7].

Результаты исследований различных авторов [8–11] показали, что посредством изменения технологии изготовления и термической обработки полуфабрикатов из сплава ВТ23М и его аналогов возможно обеспечение различных комбинаций механических свойств и структурно-фазового состояния (высокопластичное отожженное; сверхвысокопрочное [12]; промежуточное, более сбалансированное, с умеренно высоким уровнем прочности, сопротивления усталостному разрушению и характеристик надежности). Зачастую структурно-фазовый состав, обеспечивающий сбалансированный комплекс свойств (α + β)-сплавов мартенситного класса, реализуется посредством проведения термической обработки деформированных полуфабрикатов по режимам двойного отжига. Это особенно актуально для крупногабаритных полуфабрикатов и их сварных соединений [13]. При этом скорость охлаждения с температуры первой ступени двойного отжига может оказывать существенное влияние на структуру и механические свойства сплава [14, 15].

В данной статье представлены результаты исследований влияния технологических параметров двойного отжига на механические свойства и микроструктуру штамповок из титанового сплава ВТ23М, направленных на обеспечение сбалансированного комплекса характеристик (прочностных, пластических и ударной вязкости), для замены используемого в настоящее время сплава ВТ6ч применительно к силовым деталям конструкции пилона подвески двигателя.

Работа выполнена в рамках реализации комплексного научного направления 8. «Легкие, высокопрочные коррозионностойкие свариваемые сплавы и стали, в том числе с высокой вязкостью разрушения» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года»). Работа выполнена при поддержке ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ [16].

Материалы и методы

Для проведения исследований в условиях опытного производства НИЦ «Курчатовский институт – ВИАМ» методом двойного вакуумно-дугового переплава выплавлены слитки. Химический состав слитков соответствует требованиям ОСТ 1 90013–81 для сплава ВТ23М.

Полуфабрикаты изготовлены по разработанной технологической документации в соответствии с технологической схемой, включающей горячую деформацию путем всесторонней ковки слитка в β-области и всестороннюю ковку заготовки со сменой осей в (α + β)-области с последующей осадкой до окончательной толщины (~50 мм). Термическая обработка заготовок под образцы проведена по экспериментальным режимам в камерной печи сопротивления в соответствии с требованиями ПИ 1.2.587–2002.

Механические свойства определены в соответствии с ГОСТ 1497–2023 на универсальных испытательных машинах. Ударную вязкость определяли на образцах с U-образным надрезом по ГОСТ 9454–78.

Анализ микроструктуры методом оптической металлографии проводили в соответствии с ПИ 1.2.785–2009 визуально на травленых микрошлифах с помощью металлографического микроскопа при увеличениях до ×1500. Травление осуществляли в водном растворе плавиковой кислоты (10 % (объемн.)).

Результаты

С целью исследования влияния технологических параметров двойного отжига на микроструктуру и механические свойства штамповок из сплава ВТ23М, изготовленных в условиях НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ, опробованы экспериментальные режимы, представленные в табл. 1. После нагрева и выдержки на каждой ступени отжига осуществляли охлаждение штамповок на воздухе.

Выбор нижней границы температуры нагрева первой ступени отжига Т_п.п – 100 °С, где Т_п.п – температура полиморфного превращения, обусловлен тем, что проведение отжига при температурах менее Т_п.п – 190 … 140 °С практически не оказывает влияния на количественное соотношение α- и β-фаз, а β-фаза имеет высокую термодинамическую стабильность [13]. Это не позволит при дальнейшем охлаждении на второй стадии отжига существенно изменить структурно-фазовый состав и комплекс механических свойств сплава в требуемых пределах.

Охлаждение после первой ступени отжига осуществляли для всех режимов на воздухе, что, как показано для сплава SP700, обеспечивает получение более крупной морфологии первичной α-фазы (как глобулярной, так и пластинчатой) без мартенсита, склонного к быстрому интенсивно упрочняющему распаду на второй ступени отжига [15]. Матричная β-фаза распадается менее интенсивно, не вызывает такого сильного фазового наклепа, поэтому и вторая ступень отжига может проводиться при более низких температурах и длительных выдержках. Аналогичные результаты получены для сплава ВТ23: закалка в воду с температуры 800 °С приводит к образованию до ~20 % мартенситной α″-фазы, а закалка с 860 °С – до 80–90 %. После дальнейшего старения это существенно повышает уровень прочностных свойств (σ_в изменяется с 1050 до 1580 МПа), но при этом кардинально уменьшаются относительное удлинение и ударная вязкость до неудовлетворительных значений (δ₅ = 1,5 %, KCV = 35 кДж/м²) [17]. Это ограничивает рациональный выбор верхней границы температуры нагрева первой ступени отжига Т₁ величиной 840–860 °С [18]. Таким образом, одна из наиболее важных задач, которую необходимо решить в данной работе при выборе технологических параметров термической обработки, – предотвращение образования промежуточной мартенситной α″-фазы и при этом формирования слишком грубодисперсных первичных фазовых составляющих в структуре сплава ВТ23М.

Температуры выдержки на второй ступени отжига (Т₂) в данном экспериментальном плане выбраны менее Т_п.п – 290 °С вследствие того, что, как показано рядом сторонних исследований, применение более высоких температур (в частности, 720 °С) хоть и обеспечивает для сплавов-аналогов типа SP700 (Ti–4,5Al–3V–2Mo–2Fe) высокий уровень пластичности и ударной вязкости в широком диапазоне температур Т₁ (от 830 до 900 °С), однако прочностные свойства остаются на невысоком уровне (σ_в = 980–1040 МПа) [14].

Механические свойства штамповок из сплава ВТ23М после термической обработки приведены в табл. 2.

Анализ полученных результатов показывает, что изменение температуры выдержки первой и второй ступеней отжига не оказывает существенного влияния на значения модуля упругости полуфабрикатов. Исключением является режим 4, для которого зафиксировано наиболее высокое значение модуля упругости. Повышение температуры первой ступени с Т_п.п – 100 до Т_п.п – 20 °С при неизменной Т₂ = Т_п.п – 340 °С сначала приводит к некоторому увеличению прочностных характеристик, снижению пластичности и в значительной степени ударной вязкости, а затем, наоборот, к снижению прочностных и повышению пластических свойств. Для температуры Т₂ = Т_п.п – 390 °С в интервале T₁ = Т_п.п – 60 … 20 °С также наблюдается повышение пластичности и ударной вязкости, однако характеристики прочности не изменяются.

Повышение Т₂ с Т_п.п – 340 до Т_п.п – 290 °С при температуре первой ступени отжига Т_п.п – 70 и Т_п.п – 60 °С значительно снижает уровень прочностных свойств (на величину до 90 МПа), увеличивает пластические показатели (δ₅ на 1–4 п.п.), а также ударную вязкость (на ~(35–40) %).

При более высокой температуре первой ступени отжига Т₁ = Т_п.п – 20 °С повышение Т₂ с Т_п.п – 390 до Т_п.п – 340 °С также снижает уровень прочностных свойств на 90 МПа, при этом относительное удлинение практически не повышается, а ударная вязкость возрастает на ~30 %.

Проведены исследования микроструктуры штамповок из титанового сплава ВТ23М. Изображения микроструктуры представлены на рисунке.

Микроструктуры (оптическая микроскопия, анализируемая плоскость – поперечная) штамповок из титанового сплава ВТ23М после термической обработки по режиму 1 (а), 2 (б), 3 (в), 4 (г), 5 (д), 6 (е), 7 (ж) и 8 (з)

В соответствии с девятитипной шкалой микроструктур для штамповок и поковок ПИ 1.2.785–2009 определен тип микроструктуры сплава ВТ23М в зависимости от режима термической обработки:

Первичная α-фаза после двойного отжига по режимам 1–4 представлена как пластинчатой, так и глобулярной морфологиями. При этом для режима 1 характерна наиболее грубая морфология как первичной, так и вторичной α-фазы. Морфология первичной α-фазы после двойного отжига по режимам 5 и 6 преимущественно пластинчатая с незначительной долей частиц глобулярной морфологии. Пластины α-фазы расположены преимущественно неориентированно по объему материала. Для режимов 7 и 8 характерна мелкозернистая структура с первичной α-фазой исключительно глобулярной морфологии и очень мелкодисперсной смесью частиц пластинчатой морфологии вторичных α- и β-фаз.

Участки расположения исходной матричной β-фазы, сформировавшиеся после первой стадии двойного отжига для всех опробованных режимов, представляют собой мелкодисперсную однородную смесь частиц вторичной α-фазы тонкопластинчатой морфологии, расположенных преимущественно неориентированно, и остаточную равновесную β-фазу между ними.

Обсуждение результатов

Сравнение микроструктур показало, что повышение температуры первой ступени с Т_п.п – 100 до Т_п.п – 60 °С при неизменной Т₂ = Т_п.п – 340 °С заметно уменьшает размер и изменяет морфологию частиц первичной α-фазы. Если при температуре Т_п.п – 100 °С первичная α-фаза представлена достаточно крупными частицами скругленной формы и толстыми пластинами как зернограничной, так и внутризеренной топологии, то при Т_п.п – 70 и Т_п.п – 60 °С первичная α-фаза представлена преимущественно пластинами и меньшим количеством частиц глобулярной морфологии. Дальнейшее повышение температуры Т₁ до Т_п.п – 20 °С приводит к формированию частиц первичной α-фазы исключительно глобулярной морфологии.

Вследствие того, что для всех режимов термической обработки охлаждение осуществляли на воздухе, в структуре практически отсутствует первичная α-фаза тонкопластинчатой и игольчатой морфологий, в отличие от структуры сплавов-аналогов, сформированной при быстром охлаждении в воде [19].

Уровень механических свойств штамповок из сплава ВТ23М соответствует аналогичным значениям, полученным для зарубежного сплава-аналога SP700 (Ti–4,5Al–3V–2Mo–2Fe) после термической обработки по режимам двойного отжига и с учетом выбранной авторами исследования [14] более высокой температуры второй стадии отжига, способствующей укрупнению и глобуляризации пластин α-фазы.

Анализ механических свойств и структурных особенностей в данном исследовании выявил положительную взаимосвязь количества частиц глобулярной α-фазы и относительного удлинения сплава ВТ23М, что также является характерным для значительной части гетерофазных титановых сплавов [20]. Наличие в структуре сплава значительной доли грубопластинчатых выделений первичной и вторичной α-фазы коррелирует с более высокими значениями ударной вязкости.

Согласно полученным результатам, режимы двойного отжига 3, 1 и 6 в наибольшей степени соответствуют поставленной цели по обеспечению сбалансированного комплекса механических свойств. Для режима 3 (Т₁ = Т_п.п – 70 °С и Т₂ = Т_п.п – 290 °С) характерна глобулярно-пластинчатая морфология первичной α-фазы, обеспечивающая высокий уровень пластичности и ударной вязкости при достаточном уровне прочностных свойств. При этом мелкодисперсная смесь с пластинчатой вторичной α-фазой реализует требуемый уровень прочности сплава.

Ожидается, что данный тип структуры также обеспечит высокий уровень сопротивления усталостному разрушению и вязкости разрушения сплава за счет сопротивления зарождению трещин усталости вследствие значительной доли глобулярной составляющей α-фазы, а также дополнительного ветвления и изменения направления распространения трещин в процессе их продвижения в бимодальной структуре с пластинчатыми выделениями различной степени дисперсности, расположенными неориентированно.

Заключения

Исследовано влияние технологических параметров двойного отжига на структуру и физико-механические свойства штамповок из титанового сплава ВТ23М с целью обеспечения сбалансированного комплекса прочностных, пластических характеристик и ударной вязкости.

Установлено, что требуемый уровень механических свойств обеспечивается при температурах первой и второй (T₁/T₂) ступеней отжига Т_п.п – 100 °С/Т_п.п – 340 °С и Т_п.п – 70…60 °С/Т_п.п – 290 °С. В процессе двойного отжига по данным режимам формируются структура пластинчатой или бимодальной глобулярно-пластинчатой морфологии первичной α-фазы, а также мелкодисперсная смесь с пластинчатыми неориентированными выделениями вторичной α-фазы.

В качестве режима двойного отжига, обеспечивающего наиболее сбалансированный комплекс прочностных и пластических свойств, а также ударной вязкости, выбран режим 3 (Т₁ = Т_п.п – 70 °С и Т₂ = Т_п.п – 290 °С), для которого характерна бимодальная морфология первичной α-фазы.