Влияние микроструктуры и фазового состава жаропрочных титановых сплавов на скорость роста трещины усталости

Введение

Для авиационных газотурбинных двигателей нового поколения требуются новые материалы с высокими жаропрочностью и удельной прочностью, повышенными усталостными характеристиками и сопротивлением распространению трещин усталости, высокой стабильностью механических и служебных свойств [1–3]. Один из путей повышения удельных характеристик авиационных газотурбинных двигателей – замена тяжелых ступеней ротора из сплавов на железоникелевой основе на титановые и интерметаллидные сплавы. Для этого необходимо повышать служебные характеристики титановых сплавов, поэтому разработчикам необходимо идти по пути совершенствования их композиций, технологии изготовления полуфабрикатов и термической обработки, а также находить оптимальные сочетания типа, параметров структуры и комплекса механических свойств применительно к условиям эксплуатации дисков КВД [2, 3].

Для материалов ротора компрессора особое значение имеют исследование сопротивления циклическим нагрузкам, скорости роста трещины усталости (СРТУ) и определение соответствующих характеристик [4, 5]. Величина СРТУ характеризует главным образом надежность материала, его возможность сохранять работоспособность в условиях имеющегося повреждения в виде трещины усталости некоторого размера [6].

Структура и фазовый состав оказывают влияние на механические свойства титановых сплавов и распространение трещин усталости [7–15]. В работе [8] показано, что на первой стадии роста трещины усталости влияние структуры существенно, причем для пластинчатой структуры результаты несколько выше, чем у глобулярно-пластинчатой. В то же время при переходе ко второй стадии роста трещины усталости при положительных коэффициентах асимметрии цикла влияние структуры практически нивелируется.

В работах [10–12, 15–17] для интерметаллидных титановых сплавов на основе системы Ti–Al–Nb показано существенное влияние на механические свойства и СРТУ перехода от пластинчато-глобулярной структуры к глобулярной. В работах [14, 18] отмечено, что для псевдо-α-титановых сплавов структура также оказывает заметное влияние на механические характеристики.

Материалы и методы

Для исследования выбраны дисковые заготовки из новых перспективных жаропрочных сплавов разных классов: псевдо-α-титанового сплава ВТ41 и интерметаллидного орто-сплава ВИТ1. Заготовки получены для каждого сплава с двумя типами структуры:

– для ВТ41 – с пластинчатой и глобулярно-пластинчатой структурой;

– для ВИТ1 – с глобулярной и пластинчато-глобулярной структурой.

Металлографическое исследование проводили методами оптической и просвечивающей электронной микроскопии. Оптический анализ микроструктуры проведен на травленых микрошлифах с применением микроскопа VERSAMET. Для исследования структуры на тонких фо́льгах использовали просвечивающий электронный микроскоп JEM-200-CX.

Для испытаний на СРТУ изготовлены компактные «СТ» образцы; испытания проводили в соответствии с ASTM E647.

Результаты

Исследование сплава ВИТ1

Для получения двух различных типов структур дисковые заготовки разделили на две партии и подвергли двум видам термической обработки. При термообработке по режиму 1: нагрев до температуры 850°С (длительная выдержка) с последующим охлаждением на воздухе – получена однородная макроструктура 1–2 балла по 10-балльной шкале ФГУП «ВИАМ». Фон макроструктуры матовый. В продольном направлении видны волокна, ориентированные вдоль направления течения металла при штамповке. Полученная макроструктура относится к глобулярному типу (рис. 1, а, б). Стандартная упрочняющая термическая обработка по режиму 2 обеспечивает получение рекристаллизованной макроструктуры 3–4 балла по 10-балльной шкале ФГУП «ВИАМ». В продольном направлении заготовки сохраняется ориентация зерен в направлении течения металла. Полученная макроструктура является пластинчато-глобулярной (рис. 1, в, г).

Рис. 1. Микроструктура (а, в – ×200; б, г – ×1500) заготовок из сплава ВИТ1 после термообработки по режиму 1 (а, б) и 2 (в, г)

Проведены электронно-микроскопические исследования структуры сплава ВИТ1. Структура, полученная при изучении образца после термообработки по режиму 1, имеет глобулярный вид с размером «глобуля» от 0,5 до 6 мкм (рис. 2). Под «глобулем» в данном случае нужно понимать кристаллографически разориентированные участки орто-фазы в β-превращенном зерне. Дифракционная картина от участка с такой структурой соответствует ОЦК-матрице (рис. 3), которая, по-видимому, представляет собой твердый раствор на основе интерметаллида Ti₂AlNb с ромбической структурой. Кроме того, наблюдаются отдельные крупные частицы размером 1–1,5 мкм (рис. 4), имеющие упорядоченное внутреннее строение. Дифракционные исследования этих частиц показали, что они имеют решетку с отличающимся от орто-фазы периодом, об упорядочении свидетельствует наличие на электронограмме сверхструктурных рефлексов (рис. 3). Наблюдаемое упорядоченное состояние частиц с кубической решеткой соответствует, по-видимому, упорядочению β-фазы по типу В2 [19].

Термообработка по режиму 2 приводит к образованию структуры, подобной структуре, образовавшейся при термообработке по режиму 1, но участки твердого раствора на основе интерметаллида Ti₂AlNb с ромбической структурой имеют «пластинчатый» вид и состоят из дисперсных кристаллографически разориентированных вытянутых пластин с размером в поперечнике от 0,2–0,5 мкм (рис. 5). Эти участки соседствуют с монолитными β-превращенными зернами, внутри которых наблюдаются отдельные двойники (рис. 6).

Таким образом, орто-фаза в β-превращенном зерне для образца из сплава ВИТ1, термообработанного по режиму 2, более дисперсна, чем для образца, термообработанного по режиму 1, и имеет пластинчатую морфологию.Интерметаллидная фаза В2 после термообработки по режиму 2 представляет собой включения размером до 2,5 мкм и также как при термообработке по режиму 1 имеет упорядоченное внутреннее строение (рис. 7).

Рис. 2. Светлопольное изображение глобулярной структуры образца, термообработанного по режиму 1 

Рис. 3. Дифракционные исследования внутреннего строения частиц и соответствующая электронограмма образца из сплава ВИТ1, термообработанного по режиму 1:

а – светлопольное изображение; б, в – темнопольное изображение в сверхструктурном
рефлексе и рефлексе матрицы соответственно

Рис. 4. Светлопольное изображение частиц, имеющих упорядоченное внутреннее строение

Рис. 5. Дифракционные исследования участка структуры с кристаллографически разориентированными пластинами с соответствующей электронограммой образца из сплава ВИТ1, термообработанного по режиму 2:

а, б – темнопольное изображение в рефлексе матрицы и сверхструктурном рефлексе соответственно

Рис. 6. Светлопольное изображение структуры образца, термообработанного по режиму 2

Рис. 7. Дифракционные исследования внутреннего строения частиц и соответствующая электронограмма образца из сплава ВИТ1, термообработанного по режиму 2 – темнопольное изображение в сверхструктурном рефлексе

Кроме того, в структуре образцов с термообработкой по режимам 1 и 2 присутствуют включения, которые являются частицами силицидов (рис. 8) неизвестного состава и выделяются в виде локальных скоплений в различных участках структуры. Их состав и кристаллографическое строение требуют дополнительного изучения. Фазовый состав образцов после термообработки по режимам 1 и 2 представлен орто-фазой (35%), β-(59%) и α₂-фазой (5%), силицидами (1%).

Испытания на СРТУ показали (рис. 9), что при температуре 20°С линейные участки практически параллельны в достаточно узком интервале значений ΔK, при этом для глобулярной микроструктуры СРТУ несколько выше (в ~2 раза), чем для пластинчато-глобулярной. 

Рис. 8. Светлопольное изображение участка структуры со скоплением силицидов

Рис. 9. Результаты испытаний на СРТУ образцов из сплава ВИТ1 с глобулярной (– – –) и пластинчато-глобулярной структурами (—) при различных температурах

Расположение линейных участков на диаграмме в интервале относительно низких значений ΔK=10–13,5 МПа  обусловлено присутствием в структуре малопластичной α₂-фазы, которая может служить источником концентрации напряжений на границах первичных зерен или субзерен. При повышении температуры испытаний до 600°С образцы с пластинчато-глобулярной структурой в интервале значений ΔK=10–20 МПа  также имеют меньшие значения СРТУ, чем с глобулярной микроструктурой, однако при значениях ΔK>20 МПа преимущества глобулярной микроструктуры по значениям СРТУ более значительны, так как при этой температуре тангенс угла наклона линейного участка прямой для пластинчато-глобулярной микроструктуры в 2 раза больше. Испытания при температуре 650°С показали, что линейный участок для глобулярной структуры заканчивается в области несколько более низких значений коэффициента интенсивности напряжений (на 30%), при этом тангенс угла наклона линейного участка прямой в 1,5 раза больше, чем для образцов с пластинчато-глобулярной микроструктурой, которые также имеют более низкие значения СРТУ при ΔK>20 МПа , чем образцы с глобулярной структурой, что является несколько неожиданным. По-видимому, такая зависимость значений СРТУ для пластинчато-глобулярной структуры, возможно, обусловлена двумя факторами: уменьшением влияния α₂-фазы как концентратора напряжений за счет их релаксации при повышенной температуре и возможным исчезновением фазы в структуре при этой температуре. Последнее предположение можно было бы подтвердить идентификацией этой фазы при температуре испытаний.

Исследование сплава ВТ41

Для исследований сплава ВТ41 получены полуфабрикаты (поковки) с различным типом структуры, изготовленные из одного слитка. Для получения поковок слиток ковали при температурах β-области на пруток Ø140 мм.

Для получения поковок с мелкозернистой глобулярно-пластинчатой структурой использовали следующие технологические параметры изготовления дисковых заготовок: двукратная всесторонняя ковка при температуре 980°С (верхняя часть (α+β)-области), механическая обработка поверхности заготовки, однократная осадка на 80% (до размера Ø320×22 мм) при температуре 990°С, термическая обработка – двухступенчатый отжиг при 1000°C в течение 2 ч, охлаждение на воздухе+при 620°С в течение 6 ч, охлаждение на воздухе.

Для получения поковок с пластинчатой структурой выбраны следующие технологические параметры изготовления: двукратная осадка на 35 и 80% (до размера Ø360×25 мм) при температуре 1075°С (нижняя часть β-области), термическая обработка – одноступенчатый отжиг при 950°С в течение 2 ч, охлаждение на воздухе, режим которого обеспечивает достаточную пластичность сплава ВТ41 [14].

По выбранным режимам изготовлены две дисковые заготовки из сплава ВТ41 иисследована их микроструктура. Проведенные исследования подтвердили, что первый технологический процесс обеспечил получение заготовки с глобулярно-пластинчатой структурой, а второй – с пластинчатой. Различие структур и режимов термической обработки обусловило различие в фазовом составе материала.

Сплав ВТ41 с пластинчатой микроструктурой после одноступенчатого отжига имеет следующий фазовый состав: α- и β-фазы, «высокотемпературные» силициды титана типа Ti_xSi_y (рис. 10, а). После (α+β)-деформации и двойного отжига фазовый состав сплава усложняется, в материале присутствуют: первичная и вторичная α-фазы;
β-фаза; «низкотемпературные» комплексные силициды титана типа Ti(Zr)_xSi_y, выделяющиеся по межфазным границам; α₂-фаза (Ti₃Al), выделяющаяся в первичной и вторичной α-фазах и имеющая с ней антифазные границы (рис. 10, б, в). Микроструктура полуфабрикатов из сплава ВТ41 в отожженном состоянии приведена на рис. 11.

После деформации в β-области и отжига структура материала представлена крупными β-зернами (размер 500–2000 мкм), вытянутыми вдоль направления течения металла. Внутризеренная структура – пластинчатая, представлена пластинами α-фазы с толщиной до 5 мкм, сгруппированными в колонии (рис. 11, а, б). После деформации в (α+β)-области и двойного отжига микроструктура материала глобулярно-пластинчатая, мелкозернистая, размер условного β-зерна составляет 15–25 мкм (рис. 11, в, г). Микроструктура материала представлена α-фазой с различной морфологией выделения – глобулярные частицы составляют до 35%. Основную долю в структуре составляет вторичная пластинчатая α-фаза с толщиной частиц от 1 до 3 мкм, сгруппированных в небольшие колонии внутри β-зерна.

По результатам испытаний на СРТУ (рис. 12) определили, что при температуре 20°С и коэффициенте асимметрии цикла R=0,1 линейные участки для глобулярно-пластинчатой и пластинчатой структур начинаются при близких значениях ΔK, однако значения СРТУ для пластинчатой структуры на половину порядка ниже. Интервал значений ΔK линейного участка в 2 раза больше у пластинчатой структуры. В целом линейный участок для пластинчатой структуры находится в области более высоких (в 1,5 раза) значений коэффициента интенсивности напряжений. При значениях ΔK, соответствующих окончанию линейного участка глобулярно-пластинчатой структуры, СРТУ для пластинчатой структуры ниже на один порядок. Тангенс угла наклона линейного участка прямой для пластинчатой структуры в 1,42 раза меньше, чем у глобулярно-пластинчатой.

Рис. 10. Микроструктура сплава ВТ41 (просвечивающая электронная микроскопия):

а, б – темнопольное изображение силицидов в сверхструктурном свете в материале после соответственно β- и (α+β)-деформации и одноступенчатого отжига; в – темнопольное изображение α₂-фазы в сверхструктурном свете в материале после деформации в (α+β)-области и двойного отжига (стрелкой указано апертурное положение диафрагмы при получении изображения)

Рис. 11. Микроструктура поковок из сплава ВТ41 в отожженном состоянии в радиальном сечении (оптическая микроскопия):

а, б – пластинчатая структура, полученная после деформации в β-области и одноступенчатого отжига; в, г – глобулярно-пластинчатая структура, полученная после деформации в (α+β)-области и двойного отжига

Рис. 12. Результаты испытаний на СРТУ образцов из сплава ВТ41 с глобулярно-пластинчатой (──) и пластинчатой структурами (– – –)  при различных температурах

При температуре 600°С интервалы значений ΔK для обоих типов структур близки (разница 18%), но линейный участок прямой для пластинчатой структуры находится в области несколько более высоких (на 30%) значений ΔK. Для пластинчатой структуры значения СРТУ ниже приблизительно на половину порядка. Тангенс угла наклона линейного участка прямой для пластинчатой структуры в 1,45 раза меньше, чем у глобулярно-пластинчатой.

Сплав ВТ41 с пластинчатой структурой при температурах испытания 20 и 600°С характеризуется более низкими значениями СРТУ при более высоких значениях ΔK, чем сплав ВТ41 с глобулярно-пластинчатой структурой. Тангенс угла наклона линейного участка прямой для пластинчатой структуры в 1,45 раза меньше, чем у глобулярно-пластинчатой. Преимущество пластинчатой структуры наиболее значительно при комнатной температуре. Разница величин СРТУ материала с двумя типами структуры обусловлена в первую очередь различием размеров β-зерна. Увеличению значений СРТУ материала с глобулярно-пластинчатой структурой способствуют дисперсные выделения силицидов по межфазным границам, образованные в результате двойного отжига, а также наличие фазы Ti₃Al. При температуре испытаний 600°С происходит разупрочнение α-твердого раствора, сопровождающееся повышением пластичности для материала с глобулярно-пластинчатой структурой. Это приводит к уменьшению разности величин СРТУ сплава ВТ41 с различными типами структур при высокой температуре.

Обсуждение и заключения

1. В интерметаллидном титановом орто-сплаве ВИТ1 при температурах 20 и 650°С пластинчато-глобулярный тип структуры с дисперсной пластинчатой морфологией интерметаллидной орто-фазы характеризуется более низкими значениями СРТУ, чем глобулярная структура с менее дисперсной орто-фазой.

2. В псевдо-α-жаропрочном титановом сплаве ВТ41 при комнатной и рабочей температуре СРТУ для глобулярно-пластинчатой структуры выше, чем для пластинчатой за счет значительно более мелкого β-зерна, а также наличия выделений дисперсных силицидов по межфазным границам и α₂-фазы.

3. Значительное уменьшение размера зерна, наличие силицидов по границам зерен, наличие в структуре α₂-фазы снижает характеристики циклической трещиностойкости в жаропрочных титановых сплавах.

4. Установлено, что при рабочих температурах у исследованных жаропрочных титановых сплавов разных классов характеристики сопротивления росту трещины усталости имеют тенденцию к повышению (по сравнению с комнатной температурой).

5. При температуре 600°С из исследованных сплавов наилучшим сопротивлением распространению трещины усталости обладает сплав ВТ41 с пластинчатой структурой.

6. При температуре 650°С сплав ВИТ1 с пластинчато-глобулярной структурой демонстрирует сопротивление распространению трещины, сравнимое со сплавом ВТ41 при 600°С.